皮帶機(jī)集中控制變頻改造在官地煤礦的應(yīng)用

閻保燦

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司官地煤礦安監(jiān)處， 山西 太原 030022）

引言

近年來(lái)我國(guó)煤炭行業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，現(xiàn)代大型高效礦井原煤從井下的綜采工作面一直到地面裝車站，全程由礦用帶式輸送機(jī)完成運(yùn)輸，除了對(duì)帶式輸送機(jī)自身的可靠性提出更高的要求外，也對(duì)帶式輸送機(jī)的控制方式提出了新的要求?，F(xiàn)在最新的皮帶機(jī)控制技術(shù)是將傳統(tǒng)的皮帶機(jī)綜保系統(tǒng)、生產(chǎn)視頻監(jiān)控等全部集成在一起，形成完整的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[1-2]，能夠在地面對(duì)井下的多臺(tái)皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、自動(dòng)程控運(yùn)行、故障報(bào)警記錄等功能，能夠大大提高生產(chǎn)效率、降低噸煤電耗、提高系統(tǒng)可用率，從而提升整個(gè)礦井的自動(dòng)化程度，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1 皮帶機(jī)設(shè)備概況

官地煤礦井下共有三臺(tái)皮帶機(jī)，各皮帶機(jī)均由工人就地操作，且三臺(tái)皮帶“各自為戰(zhàn)”，互相之間沒(méi)有通信，更談不上連鎖保護(hù)，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的操作平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)環(huán)境差，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平低、故障率較高。三條主運(yùn)皮帶規(guī)格型號(hào)和相關(guān)參數(shù)如下表1所示：

3條皮帶機(jī)“八大保護(hù)”俱全：堆煤傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器、急停開(kāi)關(guān)、撕裂傳感器、超溫自動(dòng)灑水裝置。

表1 井下3條皮帶機(jī)規(guī)格參數(shù)

2 改造方案

通過(guò)對(duì)官地煤礦進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合自身實(shí)際需求，本次皮帶集中控制系統(tǒng)升級(jí)改造擬實(shí)現(xiàn)以下功能：在地面集中控制室設(shè)置兩臺(tái)工程師站，互為備用，在電子間設(shè)置一臺(tái)主控PLC柜，現(xiàn)場(chǎng)三條皮帶的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的控制箱中，三個(gè)控制箱通過(guò)Profibus-DP總線協(xié)議進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，通過(guò)光線和主控PLC進(jìn)行通訊，智能上位機(jī)中的監(jiān)控平臺(tái)完成三條皮帶的監(jiān)視、保護(hù)和控制，同時(shí)將現(xiàn)有的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)集成到控制系統(tǒng)中，以便更好、更方便地觀察設(shè)備的工作狀態(tài)；同時(shí)根據(jù)已投產(chǎn)礦井實(shí)際使用情況反饋，在井下皮帶機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾各設(shè)置一套聲光報(bào)警設(shè)備，在皮帶機(jī)運(yùn)行前或故障中，進(jìn)行聲光告警，提示遠(yuǎn)離，確保生產(chǎn)安全；同步對(duì)三臺(tái)皮帶機(jī)進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)改造，并將變頻器納入控制平臺(tái)監(jiān)控范圍，達(dá)到節(jié)能高效的目標(biāo)。

2.1 變頻改造方案

變頻器是本次改造價(jià)值最高的設(shè)備，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格相差很大，公司組織專家組外出對(duì)多家已實(shí)施技改單位進(jìn)行調(diào)研，認(rèn)為核心部件采用進(jìn)口設(shè)備的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，在可靠性上也能滿足要求，且價(jià)格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的70%，性價(jià)比高。故本次改造560 kW電機(jī)選用BPJ-630/1140礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器，該產(chǎn)品核心部件采用原裝進(jìn)口設(shè)備，可靠性高，不管是在輕載還是在重載工況下，均能有效控制皮帶機(jī)柔性負(fù)載的軟啟動(dòng)/軟停車動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)及各驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的功率平衡、速度同步，有效降低了直接啟動(dòng)/快速停車過(guò)程對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免撒料與疊帶，有效抑制皮帶機(jī)動(dòng)態(tài)張力波可能對(duì)膠帶和機(jī)械設(shè)備造成的危害，進(jìn)而延長(zhǎng)皮帶機(jī)的使用壽命。

2.2 集控系統(tǒng)改造方案

由于躍進(jìn)礦控制系統(tǒng)選用的是西門子系列PLC產(chǎn)品，為了保證控制設(shè)備的統(tǒng)一，本次改造也選用西門子公司產(chǎn)品，六條皮帶附近各設(shè)置一臺(tái)就地防爆控制箱，現(xiàn)場(chǎng)控制分站則采用Siemens的ET200分站，電子設(shè)備間的主控PLC則采用Siemens 300 PLC產(chǎn)品，它們之間通過(guò)DP總線和光纖進(jìn)行通信。就地防爆控制箱采用KXJ-232-1/1140礦用隔爆兼本質(zhì)安全型可編程控制箱來(lái)完成，箱內(nèi)裝有通訊模塊、西門子PLC功能模塊、本質(zhì)安全型電源、開(kāi)關(guān)電源、繼電器和隔離柵等，如圖1所示。

圖1 KXJ-232-1/1140礦用隔爆兼本安型就地控制箱

2.3 聲光報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)

采用礦用防爆KXB-127型聲光報(bào)警器，廠家提前把預(yù)置好的語(yǔ)音信息保存進(jìn)去，同時(shí)在主控 PLC柜內(nèi)增加相應(yīng)的語(yǔ)音模塊，將對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音解碼后傳輸至現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)語(yǔ)音報(bào)警器進(jìn)行播報(bào)。同時(shí)采用本安型KTC113型礦用閉鎖式擴(kuò)音電話，用于語(yǔ)音通訊和對(duì)設(shè)備進(jìn)行閉鎖和停機(jī)，以保證設(shè)備和人身安全。

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

井下三條皮帶在2015年的改造中就已經(jīng)安裝了視頻監(jiān)控，且所有畫面均可在集控室大屏幕監(jiān)視，直接利用原有系統(tǒng)即可。

3 集中控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

本次改造控制統(tǒng)采取一個(gè)可編程邏輯控制器控制單臺(tái)皮帶機(jī)，此系統(tǒng)中共有三條皮帶機(jī)，故采用三個(gè)小型從站，分別控制三條皮帶機(jī)。由于三條皮帶機(jī)在啟動(dòng)和停止的順序上根據(jù)工藝要求和故障處理的策略會(huì)發(fā)生變化，故再采用一臺(tái)皮帶機(jī)作為主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三條皮帶機(jī)的協(xié)調(diào)控制。從站的任務(wù)包括：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、故障處理、人機(jī)接口。對(duì)各傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，判別是否發(fā)生故障，若發(fā)生故障如何采取有效措施處理故障，同時(shí)上位機(jī)與主機(jī)連接，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的工作情況，并有故障報(bào)警信號(hào)、故障歷史記錄、電機(jī)電流曲線、各種報(bào)表文件、控制按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制等，方便對(duì)系統(tǒng)的集中控制和管理。

3.1 集控平臺(tái)主要功能

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集電機(jī)的三相電流、繞組溫度、軸承溫度以及皮帶機(jī)的速度等相關(guān)參數(shù)，主要檢測(cè)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并具備歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表打印功能。

2）在操作界面上動(dòng)態(tài)模擬各設(shè)備的運(yùn)行情況并顯示相關(guān)參數(shù)，正常、報(bào)警、故障用不同的顏色表示。

3）系統(tǒng)具有三種控制模式并采用操作臺(tái)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換：分別是“集控”“就地”“檢修”，其中系統(tǒng)運(yùn)行在“檢修”方式下，各設(shè)備之間連鎖保護(hù)切除，各設(shè)備可以進(jìn)行單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)。“檢修”模式需輸入口令后才能啟用，避免誤操作。

4）自動(dòng)保護(hù)，即主電機(jī)過(guò)流、欠壓以及軸承或繞組超溫時(shí)，高值報(bào)警，高高值停機(jī)。

5）自動(dòng)運(yùn)行，即PLC按照預(yù)先設(shè)定好的程序按照各設(shè)備連鎖關(guān)系，依次將各設(shè)備啟動(dòng)或停止，在啟停過(guò)程中，如果檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)或者無(wú)相應(yīng)的反饋信號(hào)，順控程序暫停并發(fā)出聲光報(bào)警，需人工復(fù)位。

3.2 系統(tǒng)IO點(diǎn)計(jì)算

單臺(tái)皮帶機(jī)IO點(diǎn)如表2所示：

表2 單條皮帶IO點(diǎn)表

單條皮帶共計(jì)IO點(diǎn)14個(gè)，3條共42個(gè)，考慮15%備用，IO點(diǎn)按50個(gè)計(jì)算。

3.3 皮帶啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

皮帶機(jī)啟動(dòng)方式遵循逆煤流啟動(dòng)的原則，避免順煤流啟動(dòng)帶來(lái)的堆煤情況。

皮帶機(jī)的三種啟動(dòng)方式如下：

1）全線啟動(dòng)：按下全線啟動(dòng)按鈕，首先判斷電機(jī)是否發(fā)生故障，發(fā)生故障則等待，電機(jī)正常則延時(shí)后啟動(dòng)，接下來(lái)按同樣的方式處理電機(jī)和屯機(jī)，最終三條皮帶都啟動(dòng)運(yùn)行。

2）自動(dòng)啟動(dòng)：皮帶機(jī)按照延時(shí)電機(jī)啟動(dòng)的順序啟動(dòng)皮帶。

3）手動(dòng)啟動(dòng)：手動(dòng)啟動(dòng)直接用繼電器控制電路啟動(dòng)電機(jī)，不需要執(zhí)行小程序來(lái)控制。

皮帶機(jī)停機(jī)順序遵循順煤流停車的原則，避免由于后面的皮帶先停機(jī)，前面的皮帶還在運(yùn)轉(zhuǎn)，從而在兩條皮帶的交接處出現(xiàn)煤堆積的情況。

3.4 本安操作臺(tái)

采用TH6-24S本安操作臺(tái)，具有就地、集控、手動(dòng)、檢修等多種操作方式。操作臺(tái)上配備的按鈕及開(kāi)關(guān)有：功能選擇、設(shè)備的起停、速度給定等等；參數(shù)顯示由PB8-24礦用隔爆顯示屏及相應(yīng)的儀表完成，主要顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，并與可編程控制箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.5 軟件部分主要功能及特點(diǎn)

1）監(jiān)控主畫面組態(tài)軟件：軟件采用國(guó)內(nèi)昆侖通態(tài)MCGS系列組態(tài)軟件，支持全中文、面向窗口、可視化的開(kāi)發(fā)界面，界面明了簡(jiǎn)潔，使監(jiān)控工作變得靈活多變、簡(jiǎn)單直觀，如圖2所示。

2）人機(jī)交互界面：人機(jī)交互界面使操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備有了一個(gè)更直觀、準(zhǔn)確的觀察與判斷，是系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中的重要部分，良好的界面可以為操作人員掌握系統(tǒng)數(shù)據(jù)、預(yù)判系統(tǒng)故障（見(jiàn)圖3）、排查故障原因提供有效的幫助。

4 應(yīng)用效果

4.1 變頻節(jié)能情況

改造后皮帶機(jī)節(jié)能計(jì)算：三條皮帶機(jī)現(xiàn)在每天工作兩班，全年工作時(shí)間約為270 d，2017年一季度耗電1 804 723.20 kWh，改造后2018年一季度耗電992 597.76 kWh，本礦工業(yè)用電的電價(jià)為0.75元/kWh，改造后平均每年可節(jié)約成本0.75×812 125.44×4=243.64萬(wàn)元。

4.2 檢修費(fèi)用節(jié)省情況

除了顯著降低電耗外，變頻時(shí)皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨著下降，大大減輕了整個(gè)系統(tǒng)的磨損：

1）未改造前每年皮帶運(yùn)行距離=270 d×16 h/d×3 600 m/s×4.4 m/s÷1 000=68 428.8 km；

2）變頻改造后每年皮帶每班平均帶速=3.5 m/s，運(yùn)行距離=270 d×16 h/d×3 600×3.5 m/s÷1 000=54 432 km；

圖2 主監(jiān)控畫面

圖3 故障信息顯示畫面

3）皮帶和托輥每年少運(yùn)行里程為13 996 km，按照公司以往數(shù)據(jù)推算，預(yù)計(jì)可節(jié)約檢修費(fèi)用10萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）提高了井下皮帶機(jī)的自動(dòng)化程度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備可用率和安全性，獲得了井下一線工人的一致認(rèn)可。

2）降低了設(shè)備電耗，同時(shí)節(jié)省了皮帶機(jī)檢修費(fèi)用。