張進帥
(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司,山西 晉城 048214)
目前,煤礦開采領域已投入了自動裝車控制系統(tǒng),但整體的自動化程度相對較低,系統(tǒng)控制精度及響應速度也較差,人員作業(yè)時的勞動強度較大,無法滿足當前實現(xiàn)煤礦開采自動化、智能化及無人化控制的發(fā)展需求[1-2]。將更加成熟的控制技術應用到裝車控制系統(tǒng)中,實現(xiàn)系統(tǒng)的升級改進設計,已成為當前選煤廠智能化能力提升的關鍵。
目前,國內(nèi)選煤廠整體已向自動化、智能化方向進行了改造升級。部分領域已實現(xiàn)了較高的自動化控制。但由于國內(nèi)鐵路技術發(fā)展的影響,選煤廠中的自動裝車系統(tǒng)運行時仍存在較多問題,主要包括如下幾點:
1)當前的裝車控制系統(tǒng)主要依靠人力進行半自動化操作控制,控制精度及操作流程主要依靠人員的經(jīng)驗和熟練度,若經(jīng)驗不足,極可能造成裝車效率的降低[3];
2)整個控制系統(tǒng)中未安裝自動及監(jiān)控系統(tǒng),無法對全過程進行監(jiān)測控制,人員也無法實時、準確地掌握現(xiàn)場的作業(yè)情況,極容易造成信息誤判、操作失誤等情況,大大降低了工作效率;
3)由于選煤廠現(xiàn)場環(huán)境的復雜性,經(jīng)常出現(xiàn)所傳輸數(shù)據(jù)信息易受到外界干擾、信號不穩(wěn)定等現(xiàn)象,數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫蚕鄬^低,已無法滿足當前較多數(shù)據(jù)的實時、快速傳輸需求;
4)針對選煤廠精煤裝車現(xiàn)場所出現(xiàn)的故障問題,當前控制系統(tǒng)無法進行故障異常報警,僅能通過人員對現(xiàn)場進行逐一排查方可解決故障,故障排查效率低、現(xiàn)場作業(yè)安全性較差[4]。
為此,不斷對當前精煤的裝車控制系統(tǒng)進行升級設計,實現(xiàn)整個過程的自動化控制、參數(shù)自動調(diào)節(jié)、異常情況自動識別及報警等功能,已是提升裝車控制系統(tǒng)綜合性能的必然方向。
依托當前精煤裝車控制系統(tǒng)的現(xiàn)有基礎,開展了精煤自動裝車控制系統(tǒng)的改進設計。所設計的控制系統(tǒng)包括了PLC控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、上機位監(jiān)控模塊、通訊模塊、報警模塊等,主要實現(xiàn)精煤倉口閘門控制、皮帶輸送控制、煤礦重量稱重、水分供給控制、作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控等功能[5]。其中,系統(tǒng)中的核心控制器選用了西門子的S7-300系列PLC,與上位機監(jiān)控系統(tǒng)之間則通過工業(yè)以太網(wǎng)、RS485等通訊方式進行信號傳輸及通訊;通過PLC控制器,能實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場設備的操作、控制、監(jiān)控及相關數(shù)據(jù)信號的傳輸;控制系統(tǒng)中的電壓平臺包括DC24V和DC12V,以滿足系統(tǒng)內(nèi)部的用電需求。
整個自動裝車控制系統(tǒng)的控制流程為:首先對火車進行車輛識別,將識別到的信息傳遞并反饋給PLC控制器中,在PLC控制器中對火車的入場順序進行排序;而裝車時,控制鐵牛牽引電機來帶動火車緩慢移動。當檢測到火車信號時,簸箕和皮帶機啟動,將精煤輸送并通過簸箕流入火車車廂中,實現(xiàn)精煤的自動裝車。其中,裝煤的流量則通過PLC控制柜進行控制,皮帶機的傳輸速度則通過變頻器控制數(shù)字信號來實現(xiàn)速度控制;經(jīng)過計算后,在完成精煤重量稱重及對比判斷后,停止裝煤,火車移動,并對數(shù)據(jù)進行保存,循環(huán)開始下一個火車裝煤操作,自動裝車控制系統(tǒng)的流程如圖1所示。
圖1 自動裝車控制系統(tǒng)流程圖
PLC控制器時整個系統(tǒng)的關鍵部分,可實現(xiàn)對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)運算、設備控制、邏輯判斷、信號轉(zhuǎn)換及通訊等操作。因此,本系統(tǒng)選用了西門子的S7-300系列PLC控制器,該控制器包括了CPU處理器模塊、開關量輸入及輸出模塊、電源模塊、控制器模塊、模擬量模塊,其中,電源模塊采用了PS307型號,處理器選用了CPU315型號,通訊模塊則選用了CP341型,而I/O模塊則采用了光電隔離及防爆型,并將PLC安裝在配電柜中[6]。而配電柜的輸入則采用了AC220V電源,內(nèi)部也按照了穩(wěn)壓電源、開關、繼電器等元器件,由此,完成了PLC的選型設計。S7-300系列PLC控制器如圖2所示。
圖2 S7-300系列PLC控制器
當精煤放入車廂后,需對多放入的精煤重量進行稱重,以實現(xiàn)對精煤裝入量的控制,故設計了一套電子軌道稱重分系統(tǒng)設計。在該分系統(tǒng)中,選用了兩個電阻式重力傳感器,具有過載能力強、誤差小、性能穩(wěn)定等特點,可安裝在稱重臺的兩側(cè),通過檢測到來自車廂的壓力,利用激勵拱橋電源的轉(zhuǎn)換作用,將壓力信號轉(zhuǎn)換為相應的重量電信號,經(jīng)過信號的放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換等操作后,將最終處理信號經(jīng)過RS485接口傳輸至PLC控制器中進行分析判斷和運行,當重量達到設計值時,PLC則發(fā)出控制命令,自動停止裝煤作業(yè)操作,以此實現(xiàn)對精煤重量的稱重操作。稱重系統(tǒng)的原理如圖如圖3所示。
圖3 電子軌道稱重分系統(tǒng)原理圖
煤炭經(jīng)過洗選后,精煤中會夾雜著一定含量的水分,較多的水分會使煤炭質(zhì)量下降,較低水分也會煤炭重量降低,煤碳中的水分含量是評價煤炭經(jīng)濟價值的關鍵指標。為此,設計了一套水分供給控制分系統(tǒng),以此實現(xiàn)對煤炭中水量的控制及水分檢測。該分系統(tǒng)中配備了微波式水分儀,安裝在皮帶機下方的C型框架下,所發(fā)射出微波能穿透煤炭物料,發(fā)射能量的衰減及相位偏移,利用微波的能量衰減及相位偏移,以此來判斷煤炭中的水分含量。所檢測到的水分數(shù)據(jù)將通過RS485通訊接口傳輸至PLC控制器中進行對比判斷,當檢測到水分超過閥值時,則可通過輸出模塊來將噴淋裝置的調(diào)節(jié)閥開度減小,實現(xiàn)對水分供給的控制。所設計的水分供給控制分系統(tǒng)原理圖如圖4所示。
圖4 水分供給控制分系統(tǒng)原理圖
在完成精煤自動裝車控制系統(tǒng)的全面設計后,為進一步驗證該控制系統(tǒng)的綜合性能,將其在選煤廠中進行了集成應用測試,主要對系統(tǒng)的精煤倉口閘門控制、皮帶輸送控制、精煤稱重、水分供給控制、異常報警等方面進行全面測試,測試周期將近5個月。經(jīng)過測試后,該系統(tǒng)運行正常,功能更加強大,實時性好,能自動對進出火車的車輛號進行自動識別,成功解決了傳統(tǒng)的人工輸入車號的痛點。同時,整個過程的設備啟停、精煤裝量、水分供給控制等方面均。實現(xiàn)了無人化自動控制,全程無人員進行操作控制;經(jīng)抽樣,每個火車車廂內(nèi)的精煤重量基本相同,實現(xiàn)了精煤裝量的精確控制。另外,該控制系統(tǒng)針對裝車過程出現(xiàn)的水分過多、重量過重、超載、溫度過高等異常情況也實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動報警提示及故障位置顯示,人員可根據(jù)故障顯示位置,快速對故障進行排除,避免了因系統(tǒng)故障造成的時間浪費問題。整套系統(tǒng)的成功應用,達到了預期目的和效果。
1)該控制系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、功能更加強大,實現(xiàn)了整個裝車過程中多環(huán)節(jié)的自動化、遠程控制操作;
2)實現(xiàn)了火車車號的自動識別,解決人員手動輸入車號的低效率操作問題;
3)全過程的設備啟停、精煤裝量、水分供給、精煤稱重等方面均實現(xiàn)自動化遠程控制,無需人員進行操作控制,整體自動化程度大大提高;
4)系統(tǒng)運行時的水分過多、重量過重、超載、溫度過高等也實現(xiàn)了自動報警及故障位置顯示,實現(xiàn)了人員快速排查故障的高效操作;
5)該系統(tǒng)的成功應用,提高了精煤的裝車效率,降低了裝車過程的故障率,減輕了人員的勞動強度,達到了預期效果。