朱文清

（潞安化工集團(tuán)五陽煤礦，山西 長(zhǎng)治 046200）

1 概況

煤礦主運(yùn)帶式輸送機(jī)是煤礦物料運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其控制系統(tǒng)的控制邏輯直接決定了輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。五陽煤礦是一座年產(chǎn)能達(dá)到千萬噸以上的現(xiàn)代化礦井，主運(yùn)輸送機(jī)采用了STJ1200/2×400 型，輸送能力為1200 t/h，額定運(yùn)行帶速為4.33 m/s，驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為YBSS-400-4，工作時(shí)的額定功率為400 kW，輸送機(jī)的工作傾角在0～9°，輸送帶帶寬為1200 mm，采用了KPZ-1200/2×200 盤式制動(dòng)裝置，張緊方式為尾部液壓自動(dòng)張緊。目前該輸送機(jī)系統(tǒng)主要采用了定帶速運(yùn)行的模式，根據(jù)最大落煤量，設(shè)置輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)按4.1 m/s 的帶速運(yùn)行。但在實(shí)際工作中由于綜采效率的變化，輸送機(jī)很難達(dá)到滿載狀態(tài)，多數(shù)情況下均處在半載情況運(yùn)行，長(zhǎng)期的高帶速導(dǎo)致了輸送機(jī)磨損加劇和輸送機(jī)運(yùn)行能耗居高不下，嚴(yán)重影響了物料運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。

為了提高五陽煤礦輸送機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性，技術(shù)攻關(guān)小組提出了一種新的帶式輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，以輸送機(jī)煤流監(jiān)測(cè)、輸送機(jī)變頻調(diào)速控制及運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)為核心[1]，對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了帶速-運(yùn)量的匹配控制，有效提升了輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2 智能聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)

輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是能夠?qū)Ω鱾€(gè)輸送帶上的煤量進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)輸送帶上煤量及上下游輸送機(jī)的煤量、帶速情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，對(duì)各個(gè)輸送機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，滿足物料輸送安全和經(jīng)濟(jì)性的需求。結(jié)合煤礦上輸送機(jī)的布置情況，本文所提出的輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該控制系統(tǒng)主要包括了地面控制部分和井下控制部分，地面控制部分主要包括了環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、礦井調(diào)度中心，井下控制部分主要是各類環(huán)網(wǎng)交換機(jī)[2]，滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制需求。在每個(gè)分輸送機(jī)上都設(shè)置有煤流量檢測(cè)儀和帶速監(jiān)測(cè)儀，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，完成統(tǒng)一計(jì)算分析后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，向不同輸送機(jī)的PLC 控制箱輸出帶速調(diào)節(jié)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行帶速的靈活調(diào)整。該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，能夠根據(jù)輸送機(jī)的不同布置形式，靈活地調(diào)整，提高了該控制系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性和可靠性，能夠顯著地降低輸送機(jī)在輕載和空載情況下的運(yùn)行率，降低輸送帶磨損，提高使用壽命。

3 輸送機(jī)煤流量監(jiān)測(cè)控制

為了滿足對(duì)整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)精確調(diào)整的需求，該煤流量監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)需要能夠精確判斷輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)及煤流量分布[3]情況，并通過PLC控制箱來實(shí)現(xiàn)基于工作點(diǎn)的帶速調(diào)節(jié)[4]。同時(shí)，為了保證輸送機(jī)系統(tǒng)在不同工況下運(yùn)行的安全性，需要根據(jù)上游刮板輸送機(jī)的出煤量及輸送機(jī)上的煤量分布情況來優(yōu)化輸送機(jī)系統(tǒng)的啟停時(shí)間，優(yōu)化運(yùn)行協(xié)同調(diào)速，減少輸送機(jī)輕載和控制的運(yùn)輸率。輸送機(jī)在運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)帶載啟動(dòng)的情況，為了提高在該工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性，系統(tǒng)能夠根據(jù)測(cè)算的輸送機(jī)上的煤量分布情況，選擇是順煤流啟動(dòng)還是逆煤流啟動(dòng)。例如，當(dāng)輸送機(jī)為空載或者輕載狀況時(shí)，輸送機(jī)可按工作巷輸送機(jī)-西翼大巷輸送機(jī)-主斜井輸送機(jī)-上倉輸送機(jī)-上倉刮板輸送機(jī)進(jìn)行順序啟動(dòng)。若主斜井輸送機(jī)和上倉輸送機(jī)上沒有煤炭分布但巷尾的輸送機(jī)有煤時(shí)，系統(tǒng)則首先啟動(dòng)工作巷的輸送機(jī)，然后根據(jù)停機(jī)時(shí)煤流的位置，計(jì)算正常開機(jī)狀態(tài)下煤流到達(dá)工作巷端部的時(shí)間，如果時(shí)間小于系統(tǒng)設(shè)定的安全時(shí)間，則可以按照主斜井-上倉輸送機(jī)-上倉刮板輸送機(jī)的順序啟動(dòng)。輸送機(jī)的煤流量監(jiān)測(cè)控制邏輯流程如圖2[5]。

圖2 煤流量監(jiān)測(cè)控制示意圖

4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)選型

輸送機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)煤流量監(jiān)測(cè)和分析后，將數(shù)據(jù)傳輸給變頻控制器，由變頻器輸出變頻調(diào)節(jié)信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行帶速的靈活調(diào)整，因此要求變頻控制器具有較高的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)精確性。目前常用的變頻器主要有西門子的低壓級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)變頻器[6]，其采用了單向?qū)ńY(jié)構(gòu)，能耗低；一種是ABB 公司的ACS5000 型，采用了交流-直流-交流的模式，單管耐壓達(dá)到了5000 V。

通過綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ACS5000 型每相具有兩個(gè)IGGT 功率元件，而西門子的低壓級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)變頻器每相功率元件數(shù)量達(dá)到了5 個(gè)，可靠性較低，而且調(diào)節(jié)靈敏性低于ACS5000 型，最終在該輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)上選用了ACS5000 型變頻器[7]。

由于輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)過負(fù)荷的情況，因此為了提高控制安全性，變頻器的輸出電流需要大于輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電流，并且要具備在2 倍額定電流工作情況下連續(xù)60 s、每隔600 s可重復(fù)一次的過載能力，提高在不同工況下啟動(dòng)可靠性的需求。

5 高低壓配電系統(tǒng)選型

為了滿足不同工況下控制可靠性的需求，在輸送機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)中設(shè)置了10 臺(tái)KYN28-12 型高壓開關(guān)柜，柜子內(nèi)配備了真空斷路器、微機(jī)綜合保護(hù)器等，同時(shí)具有高速以太網(wǎng)接口及閉鎖裝置[8]。變頻器主回路的分閘指令需要由變頻器發(fā)出，而不能通過輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出，避免信號(hào)受到干擾。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的斷路器在工作時(shí)，變頻裝置必須具有閉合斷路器的主動(dòng)控制權(quán)，在斷路器內(nèi)需要配備欠壓脫扣線圈，若輸送機(jī)出現(xiàn)緊急停機(jī)故障時(shí)，變頻器在輸出分閘節(jié)點(diǎn)之外還需要輸出故障跳閘節(jié)點(diǎn)，滿足變頻器保護(hù)的需求。該輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的高低壓合分閘回路如圖3[9]。

圖3 高低壓合分閘回路示意圖

6 應(yīng)用情況分析

目前該帶式輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)在五陽煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)優(yōu)化前后輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了對(duì)比分析，根據(jù)從2021 年6 月—2021 年12 月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的平均帶速由目前的4.1 m/s 降低到了2.98 m/s，平均帶速降低了27.4%，輸送機(jī)運(yùn)行能耗平均降低了19.3%，極大地提升了五陽礦輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)輸穩(wěn)定性和可靠性。輸送機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端如圖4。

圖4 五陽煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

7 結(jié)論

為了解決五陽煤礦井下帶式輸送機(jī)系統(tǒng)不具備帶速-運(yùn)量匹配特性、變頻調(diào)速性能差的不足，提出了一種新的帶式輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制原理、煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能變頻系統(tǒng)選型及實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，能夠根據(jù)輸送機(jī)的不同布置形式靈活調(diào)整，提高了該控制系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性和可靠性，能夠顯著地降低輸送機(jī)在輕載和空載情況下的運(yùn)行率；

（2）煤流量監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)需要能夠精確判斷輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)及煤流量分布情況，并通過PLC 控制箱來實(shí)現(xiàn)基于工作點(diǎn)的帶速調(diào)節(jié)；

（3）ACS5000 型變頻器可靠性高、能耗低；

（4）輸送機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)⑤斔蜋C(jī)運(yùn)行的平均帶速降低27.4%，將輸送機(jī)運(yùn)行能耗降低19.3%，極大地提升了五陽煤礦輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。