立井提升定量裝卸載自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

安建亮

(大同煤礦集團(tuán) 云岡煤礦，山西 大同 037003)

麻家梁礦是一座設(shè)計年產(chǎn)量1 200萬t的特大型現(xiàn)代化礦井，礦井開拓方式為立井開拓，共設(shè)有主井、副井、風(fēng)井三個井筒，其中主井井筒直徑9 m，提升高度為598 m，裝備兩套JKMD-5.7×4型提升機及兩對45 t雙箕斗(國內(nèi)最大提升容器)。為了提高整個主井提升系統(tǒng)的自動化水平，實現(xiàn)安全高效、快速提升，本文在吸取前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上[1-4]，設(shè)計開發(fā)了定量裝卸載自動化控制系統(tǒng)。

1 裝卸載方案設(shè)計

1.1 裝載方案設(shè)計

設(shè)計采用帶式輸送機結(jié)合定量斗的方案。該系統(tǒng)采用液壓測重裝置，具有如下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)精簡、運行可靠、計量精準(zhǔn)、維護(hù)方便、裝載用時短，裝載示意見圖1。

圖1 裝載示意

在箕斗裝載硐室安裝2套裝載系統(tǒng)與2對提煤箕斗相對應(yīng)，以井筒中心對角呈中心對稱布置。每套裝載系統(tǒng)設(shè)置一臺甲帶給料機，型號為GLDY4400/11/S(Q=880～4 400 t/h)、一臺裝載帶式輸送機(B=1 600 mm、Q=3 300 t/h、V=4 m/s，L=36.5 m)和一臺定量斗，定量斗設(shè)有帶翻板的裝載分岔溜槽。

井底裝載位置設(shè)置四角罐道穩(wěn)罐裝置，用以裝載時穩(wěn)定箕斗；井底過放段設(shè)置導(dǎo)向罐道、過卷開關(guān)、托罐裝置、防撞梁，井底留設(shè)10.5 m過放高度，井底箕斗比井口箕斗提前0.5 m碰防撞梁，起過卷和過放保護(hù)作用；井底防撞梁下還設(shè)置尾繩保護(hù)裝置等安全設(shè)施，以保證人員和設(shè)備的安全；井底設(shè)置清理撒煤設(shè)施，用于清理撒煤。

1.2 卸載方案設(shè)計

設(shè)計采用外動力方式卸載，開閉裝置為液壓，通過優(yōu)化聯(lián)動控制系統(tǒng)來減少卸載休止時間。

卸載站組成結(jié)構(gòu)有：箕斗卸載開閉裝置、接受溜槽、箕斗接受倉?；返轿缓?，開閉裝置驅(qū)動卸載滾輪進(jìn)入固定曲軌內(nèi)，打開扇形閘門卸載。井口設(shè)置一個接受煤倉，原煤通過接受溜槽、卸入接受煤倉內(nèi)(容量約400 t)，倉下設(shè)置一臺甲帶給料機。另外在井口卸載位置設(shè)置四角罐道穩(wěn)罐裝置，用以卸載時穩(wěn)定箕斗。井口過卷段設(shè)置導(dǎo)向罐道、過卷開關(guān)、鋼帶式防過卷緩沖托罐裝置和防撞梁，起過卷保護(hù)作用，過卷高度為11 m，以保證人員和設(shè)備的安全。

2 裝卸載控制系統(tǒng)功能設(shè)計

主井擔(dān)負(fù)著礦井主要的生產(chǎn)任務(wù)，為了實現(xiàn)自動定量裝卸載的綜合控制，其控制系統(tǒng)的功能設(shè)計如下：

1) 信號系統(tǒng)功能。①完善的閉鎖功能；②直觀的顯示功能；③清晰的音響功能；④方便的通信功能。

2) 裝卸載系統(tǒng)功能。①采用高效、長壽LED元件組成圖形界面顯示，對裝載系統(tǒng)模擬監(jiān)控；②裝載工作方式：自動、手動、點動三種；③裝載保護(hù)：定量、定容、定時三重保護(hù)；④裝載噸數(shù)累計功能；⑤故障自動報警功能；⑥車房對井底裝載系統(tǒng)的微機監(jiān)控功能；⑦有完善的數(shù)據(jù)庫功能，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行追憶查詢；⑧卸載有滿倉顯示功能；⑨采用數(shù)字顯示各定量斗裝煤的實時值；⑩測重裝置可輸出空、滿、超載報警信號，超載時采用音響報警；通過PLC程序閉鎖可實現(xiàn)防止二次裝載保護(hù)功能。

3 裝卸載電控系統(tǒng)設(shè)備選型

主井裝卸載電控系統(tǒng)由車房顯示箱、上井口卸載箱、下井口本安控制臺和下井口防爆箱四部分組成。其電控系統(tǒng)的主要電氣組件包括車房顯示箱、上位工控機、卸載控制臺、裝載控制臺、PLC防爆控制箱、井口檢修信號箱、稱重傳感器、煤位傳感器、閘門到位傳感器、箕斗到位傳感器以及進(jìn)曲軌傳感器等。

車房、卸載和裝載處各安放一臺功能相對獨立的PLC，增強了系統(tǒng)的安全性。采用S7-300PLC，Profibus數(shù)據(jù)通訊用于模擬信號、狀態(tài)、故障信號的傳輸，I/O硬件傳輸用于閉鎖、控制、保護(hù)信號的信息傳輸。上位工控機采用研華公司生產(chǎn)的原裝工控機。

稱重傳感器選用YCZ系列液壓稱重傳感器，在定量斗下面安設(shè)，可實時控制定量裝載。液壓稱重傳感器稱重方式為四點稱重，稱量總重120 t，用不銹鋼環(huán)膜技術(shù)和波紋管結(jié)構(gòu)密封。

在井下裝載煤倉、定量斗和井上儲煤倉中安裝XJXBH電極式煤位傳感器，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的定容保護(hù)功能。

閘門到位傳感器和箕斗到位傳感器采用圖爾克傳感器，響應(yīng)速度35 m/s，響應(yīng)距離3～60 mm，接點動作壽命500萬次。

4 定量裝卸載保護(hù)設(shè)計

裝卸載控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括井下裝載設(shè)計、井上卸載設(shè)計和車房設(shè)計，以及其它備用信號、安全回路等的設(shè)計。裝卸載控制系統(tǒng)設(shè)計中，除了要實現(xiàn)裝卸載的基本功能外，最關(guān)鍵的是定量裝卸載保護(hù)設(shè)計。

4.1 定量、定容、定時三重保護(hù)

為了保障裝卸載的即時、準(zhǔn)確、安全可靠，以及為了防止撒煤，提高其提升效率及減少對環(huán)境的污染，該定量裝卸載系統(tǒng)具有三重保護(hù)功能：定量、定容、定時保護(hù)。

定量保護(hù)：通過安裝在定量斗下的稱重傳感器來實現(xiàn)的。當(dāng)達(dá)到定量斗的額定裝載質(zhì)量時，系統(tǒng)出現(xiàn)滿載提示并停止給料機、膠帶機的工作，一直到定量斗放料后，系統(tǒng)不再顯示滿載，才可以重新啟動膠帶機和給料機向定量斗內(nèi)裝料，為下一次提升做準(zhǔn)備。

定容保護(hù)：為了在稱重裝置出現(xiàn)故障時，對定量斗進(jìn)行粗略定量，避免出現(xiàn)裝載超過額定裝載量。定容保護(hù)的裝載量略高于額定裝載量，一般控制在1%以內(nèi)。

定時保護(hù)：為了在上述兩種功能都失去作用時，也可以根據(jù)平時調(diào)試時整定的時間，比給料機和膠帶機在完成額定裝載量的時間略長2～4 s的時間后自動停止裝載，時間根據(jù)現(xiàn)場給料機的開度和膠帶機的運量進(jìn)行整定。

4.2 預(yù)防二次裝載

二次裝載導(dǎo)致裝載量大大超過了絞車的額定提升質(zhì)量，造成在快接近井口時，提升機不能把箕斗提升到位，更有甚者箕斗從上面滑到井底，造成很大的提升事故，所以二次裝載在主井提升中是必須避免的。

1) 井下裝載站預(yù)防二次裝載。系統(tǒng)采用PLC，在程序中杜絕二次裝載的情況發(fā)生。在程序中設(shè)定，當(dāng)箕斗在到位后，信號系統(tǒng)發(fā)出停車信號，才可向左箕斗內(nèi)裝載，裝載完成后，左定量斗扇形閘門關(guān)閉；系統(tǒng)可以自動或手動發(fā)出提升信號，同時也可啟動左膠帶機和左給料機向左定量斗內(nèi)裝煤。但是左定量斗的扇形閘門不能打開，只能是發(fā)出本次提升信號，完成本次提升，左箕斗到上井口卸載完成后，井底右箕斗到位，右定量斗的扇形閘門打開、關(guān)閉過一次，然后再次發(fā)出提升信號完成本次提升，左箕斗到位以后，系統(tǒng)才可以再次打開左定量斗閘口。所有的這些閉鎖條件的狀態(tài)都由PLC自動監(jiān)測并記憶，其中一項不能滿足，定量斗扇形閘門都不能再次打開，并且在車房上位機界面上有一類故障報警提示，提醒司機本次提升存在故障。

2) 卸載站預(yù)防二次裝載?；返竭_(dá)上井口時，有時不能把箕斗內(nèi)的煤卸凈，然后發(fā)出開車信號后，箕斗再次到達(dá)下井口，定量斗再次向箕斗內(nèi)裝載了額定的煤，造成二次裝載。為此，在總結(jié)多年的實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，配合PLC的定時器精確計算上井口正常卸載的時間，使每次卸載時間與其相比較，滿足條件時認(rèn)為卸載已經(jīng)完成，否則在上井口和車房的顯示屏上給出相應(yīng)的報警提示，這時信號不能發(fā)出，必須經(jīng)上井口信號工核實后，按動故障復(fù)位按鈕，清除故障顯示，并且此次故障將被計入數(shù)據(jù)庫，然后才能發(fā)出提升信號。

因此，麻家梁礦的裝卸載系統(tǒng)從根本上杜絕了二次裝載情況的發(fā)生。

4.3 裝載系統(tǒng)各設(shè)備相互閉鎖保護(hù)

定量斗閘門與箕斗到位之間互相閉鎖：當(dāng)箕斗未到位，定量斗閘門緊閉打不開，定量斗閘門未關(guān)閉，提升信號不能正常發(fā)出。定量斗閘門與給煤機、膠帶機之間互相閉鎖：即定量斗閘門不關(guān)閉，膠帶機、給煤機不能啟動。給煤機、膠帶機之間的閉鎖關(guān)系，即必須先開膠帶機，經(jīng)延時一段時間膠帶機運轉(zhuǎn)正常后才能開給煤機；當(dāng)定量斗滿載后須先關(guān)閉給煤機，經(jīng)延時一段時間，才能關(guān)膠帶機，以確保下次啟動膠帶機時，保證膠帶電機輕載啟動，延長電機和機械設(shè)備的使用壽命。

5 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

裝卸載系統(tǒng)的上位機監(jiān)控軟件開發(fā)平臺選用WINCC(網(wǎng)絡(luò)化集中監(jiān)控管理系統(tǒng)組態(tài)軟件)，可以對主井提升信號、裝卸載機電設(shè)備動態(tài)控制過程進(jìn)行準(zhǔn)確直觀顯示；可借助于設(shè)備狀態(tài)檢測功能實現(xiàn)對設(shè)備故障判斷分析，縮小故障排查范圍，從而提升工效；可借助于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對生產(chǎn)記錄進(jìn)行查詢，并可以將不同查詢周期的生產(chǎn)報表進(jìn)行打印，上位機監(jiān)控系統(tǒng)主畫面見圖2。

6 結(jié) 語

麻家梁礦主井的裝卸載系統(tǒng)，以PLC為核心控制部件，實現(xiàn)了整個裝卸載的全面自動化；采用定量、定容、定時三重保護(hù)來控制裝載量，實現(xiàn)了定量裝載，保證了主井提升安全可靠，經(jīng)濟時效，杜絕超載提升；采用硬件閉鎖、信號閉鎖和PLC件閉鎖，從根本上杜絕了二次裝載情況的發(fā)生，保障了主井提升的安全可靠；實現(xiàn)了1‰的低撒煤率，提高了煤的提升效率，減小了對環(huán)境的污染。

圖2 裝卸載系統(tǒng)的上位機監(jiān)控主畫面

實踐證明，采用帶式輸送機結(jié)合定量斗的裝載方案，以及大型箕斗采用外動力卸載方案，實現(xiàn)了自動化定量裝卸載，系統(tǒng)運行可靠，完全滿足了安全生產(chǎn)的需要。