梁月偉

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，山西 大同 037000)

綜采放頂煤工作面的煤流運(yùn)輸系統(tǒng)包括后刮板輸送機(jī)與前刮板輸送機(jī)。二者共同作用將工作面煤矸運(yùn)輸至轉(zhuǎn)載機(jī),通過破碎機(jī)粉碎加工后轉(zhuǎn)載至皮帶輸送機(jī),進(jìn)而通過工作面皮帶將煤矸運(yùn)輸至盤區(qū)皮帶,最后輸送至洗煤廠洗選[1-2]。這些看似簡單的流程,其實(shí)每個(gè)環(huán)節(jié)都容易產(chǎn)生各種各樣的機(jī)電事故,影響煤流系統(tǒng)正常工作和礦井安全生產(chǎn)[3]。目前部分煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)均為滿速運(yùn)行,無法根據(jù)實(shí)際負(fù)載調(diào)節(jié)電機(jī)速度,缺少有效的檢測手段,需要人工目視判斷,無法形成集中自動(dòng)化控制,不便于礦井生產(chǎn)輸送能力的調(diào)度[4-5]。本文將針對(duì)某礦綜放面煤流運(yùn)輸系統(tǒng),設(shè)計(jì)一種雙集控云臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)與刮板輸送機(jī)的統(tǒng)一監(jiān)控。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案研究與設(shè)計(jì)

1.1 工作面煤流系統(tǒng)工況分析

以同忻礦為例,在采煤過程中,煤流系統(tǒng)的前刮板機(jī)與后刮板機(jī)輸送出的大塊煤矸易對(duì)自身的鏈條、刮板、鏈輪、鏈輪舌板等造成影響,且大塊煤矸通過破碎機(jī)時(shí)極易破壞破碎機(jī)錘頭及機(jī)架,此外大塊煤矸由轉(zhuǎn)載機(jī)落下時(shí)會(huì)對(duì)皮帶表面造成損傷,同時(shí)會(huì)堵塞各皮帶落煤筒倉,釀成更大的事故[6-7]。當(dāng)各綜采隊(duì)及機(jī)掘隊(duì)共用盤區(qū)皮帶時(shí),如果控制不好煤流量,則當(dāng)流量過大時(shí),會(huì)出現(xiàn)皮帶過載保護(hù)啟動(dòng),壓住盤區(qū)皮帶,無法正常運(yùn)輸;而當(dāng)流量較小時(shí),設(shè)備達(dá)不到額定運(yùn)轉(zhuǎn),導(dǎo)致設(shè)備無功消耗[8-10]。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

針對(duì)上述問題,綜放面全煤流雙集控云臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括:

1)故障監(jiān)測功能。根據(jù)速度、電流等傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測刮板輸送機(jī)與皮帶運(yùn)輸機(jī)的工況參數(shù),保障煤流運(yùn)輸系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2)煤量檢測功能。利用傳感器技術(shù),采集皮帶運(yùn)輸機(jī)上的煤量參數(shù),通過計(jì)算得到皮帶上的總煤量。

3)設(shè)備調(diào)速功能。根據(jù)傳感器檢測到的速度信號(hào)與煤流參數(shù),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)輸機(jī)輸出功率,避免無功消耗。

4)視頻監(jiān)控功能。構(gòu)筑皮帶巷沿線攝像頭監(jiān)控、帶式輸送機(jī)沿線重要部位攝像頭監(jiān)控、皮帶頭筒倉內(nèi)攝像頭監(jiān)控,同時(shí)可以監(jiān)控其他隊(duì)組以及各盤區(qū)出煤流量的變化,及時(shí)和工作面協(xié)調(diào)情況。

5)語音通話功能。前刮板輸送機(jī)看護(hù)人員,使用4G防爆電話及時(shí)與生產(chǎn)班組放煤工以及采煤機(jī)司機(jī)溝通,告知其煤流量情況,保證運(yùn)輸設(shè)備正常工作。

6)信息傳輸功能。通過串口通信及以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?將煤流系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)匯總在地面值班顯示器以及井下集中操作臺(tái),同時(shí)監(jiān)控,為工作面設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn),提供雙重保障,將整個(gè)生產(chǎn)工作集中呈現(xiàn)出來。

1.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)集數(shù)據(jù)分析、視頻通話、管理監(jiān)控為一體,如圖1所示,系統(tǒng)可分為井上部分與井下部分。井上由地面調(diào)度室與聲光報(bào)警器等設(shè)備組成,采用大型數(shù)據(jù)庫為核心,以交互式軟件為基礎(chǔ),通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控端和井下監(jiān)控機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸與通訊。井下部分包括監(jiān)控分站、通訊廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)和刮板輸送機(jī)系統(tǒng)。皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)中的溫度與電流傳感器用來采集電機(jī)的溫度和電流信號(hào);超聲波傳感器采集目標(biāo)區(qū)域內(nèi)煤料的高度;速度傳感器檢測皮帶的運(yùn)行速度;張力傳感器采集皮帶的張力信號(hào),用于故障診斷。刮板輸送機(jī)系統(tǒng)中的電流與溫度傳感器采集電機(jī)的溫度和電流信號(hào);速度傳感器檢測刮板機(jī)的運(yùn)輸速度,用于運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案Fig.1 Monitoring system overall plan

監(jiān)控分站控制器選用PLC控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)與刮板輸送機(jī)故障信息的處理功能與自動(dòng)調(diào)速功能。皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)安裝有超聲波傳感器,通過單片機(jī)處理后可得到皮帶運(yùn)輸煤量。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件分析設(shè)計(jì)

2.1 分站控制器及上位機(jī)選型

根據(jù)系統(tǒng)功能要求及工作環(huán)境,系統(tǒng)分站控制器選用S7-400CPU處理器,實(shí)現(xiàn)煤料運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)控制與監(jiān)視管理功能。上位機(jī)采用DELL工作站,利用WinCC組態(tài)人機(jī)交互軟件,運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)界面,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器的數(shù)據(jù)交換、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、數(shù)據(jù)處理及圖表顯示等功能。該控制器與上位機(jī)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性,可適應(yīng)井下惡劣環(huán)境,長時(shí)間可靠運(yùn)行。

2.2 煤流檢測裝置硬件選型

煤流檢測裝置包括處理器單元、超聲波傳感器、速度傳感器及電源。其中超聲波傳感器用于采集目標(biāo)區(qū)域內(nèi)煤料的高度;速度傳感器用于檢測皮帶的運(yùn)行速度,通過信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳輸給分站控制器。

超聲波傳感器采用GUC2探頭,結(jié)構(gòu)簡單,便于焊裝。速度傳感器基于霍爾原理,由32只磁鋼和霍爾探頭組成,均勻安裝于皮帶運(yùn)輸機(jī)滾筒。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),計(jì)算霍爾探頭檢測到磁鋼產(chǎn)生的脈沖次數(shù),即可得到皮帶運(yùn)輸速度。

2.3 煤流檢測裝置算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用超聲波煤流檢測法,在皮帶上方定點(diǎn)布置超聲波傳感器,設(shè)定傳感器采樣頻率,計(jì)算每一采樣點(diǎn)的煤量,再根據(jù)皮帶長度與運(yùn)輸速度計(jì)算出皮帶總煤量。

超聲波傳感器測量原理如圖2所示。采樣點(diǎn)內(nèi)煤面的最高點(diǎn)高度為h,根據(jù)皮帶寬度b1,底部托輥長度b2,托輥夾角α,可推算出采樣點(diǎn)截面積S計(jì)算公式(1).

(1)

煤流量Q的計(jì)算公式如下:

Q=S×v×ρ

(2)

式中：v為皮帶運(yùn)行速度,m/s;ρ為煤料密度,t/m3。

圖2 超聲波傳感器測量原理Fig.2 Ultrasonic sensor measurement principle

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主程序流程圖,如圖3所示。系統(tǒng)初始化后,通過人機(jī)交互界面可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)開始數(shù)據(jù)傳輸與通訊服務(wù)。系統(tǒng)檢測煤流狀態(tài),根據(jù)不同狀態(tài)順序啟動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備,如皮帶空載時(shí),依次啟動(dòng)盤區(qū)皮帶、工作面皮帶、破碎機(jī)、前刮板輸送機(jī)、后刮板輸送機(jī)。運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)調(diào)速程序,在運(yùn)行前設(shè)置好調(diào)速范圍與參數(shù)限值,運(yùn)行過程中根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù),計(jì)算得到煤流狀體,得出當(dāng)前時(shí)刻合適的功率與速度,與當(dāng)前功率和速度比較,通過變頻器進(jìn)行緩慢調(diào)節(jié)。系統(tǒng)利用各工況參數(shù)傳感器監(jiān)測各設(shè)備運(yùn)行狀況,同時(shí)工作人員可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行直觀判斷。在系統(tǒng)準(zhǔn)備停機(jī)時(shí),可分為正常停機(jī)與緊急停機(jī)。緊急停機(jī)時(shí),系統(tǒng)向所有設(shè)備發(fā)出停車指令,設(shè)備立即停止;正常停機(jī)時(shí),各設(shè)備按照運(yùn)輸順序延時(shí)停車,保證在停車后,將設(shè)備上的煤料全部運(yùn)輸入煤倉。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.3 Workflow diagram of monitoring system software

4 應(yīng)用效果分析

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于同忻礦8305工作面以來,受到廣大員工的一致認(rèn)可,為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。表1為監(jiān)控系統(tǒng)的煤流傳感器計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比,由表中數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較小。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)煤流傳感器計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)匯總表Table 1 Calculation data and actual data from coal flow sensor in monitoring system

從經(jīng)濟(jì)效益方面來看,該裝置應(yīng)用后,生產(chǎn)班每班節(jié)省工種3名,按300元/人,1天2班計(jì)算,一天節(jié)省1 800元,全礦每年約節(jié)資200萬元。根據(jù)8305工作面運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際狀況,運(yùn)輸設(shè)備整機(jī)額定功率為1 500 kW,按每工作日16 h的生產(chǎn)時(shí)間,一年300個(gè)工作日計(jì),當(dāng)系統(tǒng)不進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速控制時(shí),按照額定功率計(jì)算,8305工作面耗電量約為720萬kW·h,按照市場商用電價(jià)每度0.8元計(jì)算,全年電費(fèi)57.6萬元。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速控制時(shí),2019年實(shí)際8305工作面用電量為430萬kW·h,理論節(jié)電率n=430/720≈60%,節(jié)約電費(fèi)約23萬元,具有較好的節(jié)能性。綜上所述,系統(tǒng)應(yīng)用后一年為全礦帶來的總經(jīng)濟(jì)效益為223萬元左右。

從社會(huì)效益方面來看,該裝置的應(yīng)用不僅減少了壓后溜、堵轉(zhuǎn)載機(jī)、壓皮帶、煤流過載等事故發(fā)生的概率,同時(shí)也保證了操作人員的安全,保護(hù)了設(shè)備的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn),社會(huì)效益良好。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種智能綜放面全煤流雙集控云臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),通過煤流檢測裝置與視頻監(jiān)控等輔助手段,實(shí)現(xiàn)了工作面煤流運(yùn)輸狀態(tài)與設(shè)備工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測,并通過PLC控制器自動(dòng)調(diào)控皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度。監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用,不僅節(jié)省了人力成本,而且提高了生產(chǎn)運(yùn)輸效率,減少了頻繁啟停設(shè)備對(duì)設(shè)備帶來的沖擊與破壞,對(duì)類似條件下的工作面提供了很好的借鑒。然而,目前的系統(tǒng)仍存在部分裝置不夠人性化的問題,如前溜頭的風(fēng)比較冷,不利于操作工身體健康等,這些問題將是下一階段研究的重點(diǎn)。