1 引言

　　近幾年來(lái)，兗州礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司及下屬?gòu)S、礦針對(duì)以前在礦井帶式輸送機(jī)控制方面存在的問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)工作，并且與有關(guān)單位共同開(kāi)展科技攻關(guān)，積極應(yīng)用智能控制新技術(shù)，全方位提出解決方案并進(jìn)行實(shí)施，顯著地提高了礦井帶式輸送機(jī)的控制水平，取得良好的現(xiàn)場(chǎng)使用效果，對(duì)國(guó)內(nèi)同行具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。

　　2 BXWⅡ控制系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用

　　以BXWII-120/115礦用隔爆兼本安型微機(jī)控制箱為核心的電控系統(tǒng)，是兗州煤礦機(jī)械廠專(zhuān)門(mén)為煤礦井下研制的可編程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，輸入輸出點(diǎn)數(shù)均可以擴(kuò)展，語(yǔ)音通訊，可自診斷并具有快開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)，目前已廣泛應(yīng)用于煤礦井下帶式輸送機(jī)的電氣控制、監(jiān)測(cè)和綜合保護(hù)。

　?、畔到y(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)、邏輯運(yùn)算和控制輸出等工作過(guò)程均由BXWII控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)?？刂坪诵牟考x用三菱FX2N-48MR可編程控制器，配有RS485接口、模擬量模塊和通訊模塊等完成帶式輸送機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及過(guò)程控制。FX2N-16CCL-M系統(tǒng)主站塊可以使PLC在現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link中作為主站使用，可以接7個(gè)遠(yuǎn)程I/O以及8個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備站，最大的傳輸距離為13.2km，可以有效地節(jié)約布線，減小誤配線率，方便快捷地使PLC與各種外接設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。FX2N-4AD模擬量檢測(cè)模塊采集電機(jī)電流信號(hào)，具有12位高精度分辨率，4通道，通過(guò)軟件編程和數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)功率平衡，提高設(shè)備的運(yùn)行性能，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。采用圖形操作顯示終端，運(yùn)用FX-PCS-DU-WIN-C專(zhuān)業(yè)軟件，設(shè)定了用戶(hù)的顯示操作畫(huà)面、監(jiān)視畫(huà)面、數(shù)據(jù)采樣圖表、故障報(bào)警記錄等狀態(tài)信息，為用戶(hù)提供了優(yōu)良的操作環(huán)境，并且能夠顯示和修改工作程序，方便現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作。

　　①信號(hào)檢測(cè)。首先由各種傳感器檢測(cè)出帶式輸送機(jī)的各種信號(hào)，并將此輸入到BXWII控制箱可編程控制器FX2N-48MR，由PLC內(nèi)CPU判斷，同時(shí)根據(jù)遠(yuǎn)程或者司機(jī)控制輸入的要求，依照編定程序完成控制功能，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)預(yù)告、設(shè)備運(yùn)行和帶式輸送機(jī)保護(hù)。被檢測(cè)的信號(hào)基本上可以分為開(kāi)關(guān)量(無(wú)電位接點(diǎn))和模擬量?jī)煞N。

　?、诳刂戚敵??？刂葡鋵?duì)磁力起動(dòng)器、電機(jī)等外部設(shè)備的控制是通過(guò)接點(diǎn)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即開(kāi)關(guān)量控制。開(kāi)關(guān)量的輸出分為本安接點(diǎn)輸出和隔爆接點(diǎn)輸出。

　?、圻\(yùn)行工況。為了滿(mǎn)足日常運(yùn)行、檢修和故障處理等的需要，具備集控、自動(dòng)(包括正常起車(chē)、正常停車(chē)、緊急停車(chē)和保護(hù)停車(chē))、檢修和手動(dòng)4種控制模式。

　?、萍夹g(shù)特點(diǎn)

　?、僦饕夹g(shù)參數(shù)。額定輸入電壓為交流127V，工作電壓為115V、24V;額定輸入電流為5A;最大輸入輸出量為256點(diǎn);具有本安電源輸出電壓DC24V，電流100mA;DC12V，電流240mA;表面溫度不大于150℃。

　　②主要技術(shù)特點(diǎn)。具有快開(kāi)門(mén)式結(jié)構(gòu)，安全的機(jī)械電氣聯(lián)鎖,現(xiàn)場(chǎng)安裝接線更為迅速;可編程控制器程式執(zhí)行迅速,模塊化結(jié)構(gòu),提供了最大的靈活性和控制能力;具有RS485通訊口，可根據(jù)需要擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)CC-Link工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，方便與其它系統(tǒng)聯(lián)接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和與礦方監(jiān)測(cè)中心聯(lián)網(wǎng);以彩色液晶顯示屏顯示膠帶機(jī)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、張緊系統(tǒng)工作狀態(tài)、控制系統(tǒng)自檢信息等;具有起車(chē)前的自動(dòng)預(yù)告、沿線打點(diǎn)聯(lián)絡(luò)以及語(yǔ)言通訊功能;膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行特性實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的分時(shí)、輕載啟動(dòng)、停止等功能;可實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)打滑、跑偏、堆煤、閉鎖、滅火灑水、煙霧、超溫、縱撕保護(hù)及電流、溫度、速度的測(cè)量等，并可以方便定義和修改所有被測(cè)模擬參數(shù)的報(bào)警值、保護(hù)動(dòng)作值;可與其它井下設(shè)備聯(lián)控如液壓自動(dòng)張緊裝置，實(shí)現(xiàn)起車(chē)前的皮帶張緊;具有檢修時(shí)的安全閉鎖功能。

　　3 ControlNet在煤礦井下帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

　　兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦將ControlNet作為井下帶式輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的集中控制，操作員可以在地面調(diào)度室直接監(jiān)控帶式輸送機(jī)及其各種保護(hù)狀況，還可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)測(cè)，及時(shí)排除故障，保障設(shè)備運(yùn)行。

　?、畔到y(tǒng)組成

　?、匐娍匮b置。以可編程控制器為核心，PLC選用Controllogix5550系統(tǒng)， CPU模塊為1756-L55M12處理器。Controllogix系統(tǒng)通過(guò)1756-DNB、ControlNet掃描模塊及I/0模塊實(shí)時(shí)測(cè)量采集過(guò)程量和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)1756-L55M12CPU模塊綜合處理后，將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)所控制的設(shè)備，完成設(shè)備的自動(dòng)啟停;并由1756-CNBR通信模塊通過(guò)ControlNet送至井下網(wǎng)關(guān)和地面工作站;控制屏通過(guò)ControlNet與Controllogix主控分站連接，從PLC獲取的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，在控制屏上顯示并通過(guò)控制屏完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制;Controllogix主控分站通過(guò)DH+與CST軟啟動(dòng)控制柜SLC-500T進(jìn)行通訊，獲取CST軟啟動(dòng)信息，在控制屏上顯示并將CST狀態(tài)送至地面顯示。

　?、贑ST可控驅(qū)動(dòng)裝置。主要由可控啟動(dòng)傳輸部分、冷卻系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)組成，可控啟動(dòng)性能好，具有反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制啟動(dòng)加速度又可實(shí)現(xiàn)可控制動(dòng)，使帶式輸送機(jī)按預(yù)定減速度在規(guī)定時(shí)間內(nèi)停車(chē)，調(diào)速精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高。選用CST可降低基本膠帶張力，提高傳動(dòng)效率，較小的安全系數(shù)就可獲得較高的安全度。

　?、蹚埦o裝置。采用YZL-300型液壓張緊裝置，可實(shí)現(xiàn)膠帶啟停時(shí)自動(dòng)張緊。

　?、芏嗦方M合開(kāi)關(guān)。選用ZB-4×40/660型礦用隔爆型組合開(kāi)關(guān)為CST油泵的電動(dòng)機(jī)、冷卻電動(dòng)機(jī)和張緊絞車(chē)的電動(dòng)機(jī)提供電源，并且對(duì)其進(jìn)行控制和保護(hù)，具有過(guò)載保護(hù)、漏電保護(hù)、短路保護(hù)、缺相保護(hù)以及漏電閉鎖等功能。

　　⑤膠帶保護(hù)裝置。主要有跑偏開(kāi)關(guān)、拉線開(kāi)關(guān)、縱撕傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器、打滑傳感器、灑水裝置以及沿線信號(hào)裝置等。

　?、仆ㄓ嵎绞胶途W(wǎng)絡(luò)組建

　?、偻ㄓ嵎绞?。目前有ControlNet、DH+等。ControlNet使用Producer/Consumer通訊模式提高網(wǎng)絡(luò)效率，允許系統(tǒng)中各組件同時(shí)訪問(wèn)同一數(shù)據(jù)，提供更有效的網(wǎng)絡(luò)帶寬。它為對(duì)等通訊提供實(shí)時(shí)控制與信息服務(wù)。作為控制器與I/0設(shè)備間的高速連接方式，它融合了已有網(wǎng)絡(luò)的性能。作為開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)連接、對(duì)等通訊和編程——所有工作都只通過(guò)同一根連接線。對(duì)于離散型和過(guò)程應(yīng)用場(chǎng)合，它具有確定性和可重復(fù)功能。DH+鏈路是PLC-5s、SLCs和其它使用DH+網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間傳送數(shù)據(jù)的。這些設(shè)備稱(chēng)為站點(diǎn)，單個(gè)DH+鏈路最多可連接32個(gè)站點(diǎn)，系統(tǒng)中用于連接CST的SLC/504和Controllogix控制系統(tǒng)。

　?、诰W(wǎng)絡(luò)組建。帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以ControlNet網(wǎng)絡(luò)為主構(gòu)成，組建基本步驟為：a.網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。根據(jù)系統(tǒng)需要選擇節(jié)點(diǎn)、同軸電纜和光纖介質(zhì)，進(jìn)行合理布線規(guī)劃。b.網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)測(cè)試與硬件設(shè)備連接。將ControlNet網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)測(cè)試。c.節(jié)點(diǎn)預(yù)配置。ControlNet網(wǎng)絡(luò)通信波特率為5MIT/s，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)段最多允許99個(gè)節(jié)點(diǎn)，且不允許節(jié)點(diǎn)地址重復(fù)。地址一般連續(xù)，且信息優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備節(jié)點(diǎn)地址盡量小，以保證信息及時(shí)傳送。d.安裝和啟動(dòng)軟件。羅克韋爾網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件RsnetWorx for ControlNet。e.連接網(wǎng)絡(luò)。將編程終端連接到網(wǎng)絡(luò)上，并建立通信。配置ControlNet設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，掃描網(wǎng)絡(luò)上的處理器，RsnetWorx for ControlNet軟件通過(guò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載情況，給出網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間，通過(guò)合理設(shè)置使網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)化;保存配置參數(shù)，下載到節(jié)點(diǎn)設(shè)備和ControlNet Keeper中，并保存到網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件的配置文件中。

　　4 大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)研制

　　隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展和巷道開(kāi)拓方式的不斷創(chuàng)新，大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)是必不可少的。兗州煤礦機(jī)械廠將大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成機(jī)電液一體化的帶式輸送機(jī)勻減速閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得帶式輸送機(jī)能夠按照預(yù)定的停車(chē)減速度平穩(wěn)地制動(dòng)停車(chē)，完善可靠地解決了負(fù)傾角較大向下運(yùn)輸?shù)目刂茊?wèn)題。

　?、胖饕δ?/p>

　　與機(jī)械系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成機(jī)電液一體化帶式輸送機(jī)勻減速閉環(huán)控制系統(tǒng)，使帶式輸送機(jī)能夠按照預(yù)定的停車(chē)減速度平穩(wěn)制動(dòng)停車(chē)。電動(dòng)機(jī)同步投入啟動(dòng)和同步切除停車(chē)控制;輕、重載兩種情況下的起車(chē)判斷;電動(dòng)機(jī)超速保護(hù)和控制;輸送帶高、低速保護(hù)及控制;完成帶式輸送機(jī)打滑、跑偏、堆煤、閉鎖、滅火灑水、煙霧、超溫及縱撕保護(hù)等;運(yùn)行狀態(tài)及故障類(lèi)別指示;自動(dòng)和手動(dòng)控制功能;可以支持多臺(tái)主電動(dòng)機(jī)和液壓站工作。

　?、撇僮鞣绞?/p>

　　PLC電控系統(tǒng)具備自動(dòng)/手動(dòng)兩種操作方式。在自動(dòng)方式的時(shí)候，全部過(guò)程均由控制程序完成;在手動(dòng)方式的時(shí)候，各個(gè)設(shè)備的通電均由手動(dòng)操作完成。此項(xiàng)成果以高可靠性的日本三菱FX2N系列PLC為控制核心。帶式輸送機(jī)預(yù)警起車(chē)，各保護(hù)投入檢測(cè)，PLC可對(duì)各個(gè)輸入口采集的信號(hào)進(jìn)行判斷和運(yùn)算，發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)控制。當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候自動(dòng)實(shí)施緊急停車(chē)，并且發(fā)出聲光故障報(bào)警，待故障排除以后方可以再次進(jìn)行正常起車(chē)，完成帶式輸送機(jī)打滑、跑偏、堆料、閉鎖、滅火灑水、煙霧、超溫以及縱撕保護(hù)等。下運(yùn)帶式輸送機(jī)工作的時(shí)候，其帶速和電動(dòng)機(jī)速度是兩個(gè)重要的物理參量，如開(kāi)車(chē)松閘以后的輕、重載判斷，電機(jī)在同步速度值的投入和切除，三個(gè)超速值的設(shè)定，膠帶高低速打滑以及加速度和二級(jí)制動(dòng)控制等，均需要對(duì)電動(dòng)機(jī)和膠帶速度進(jìn)行檢測(cè)。

　?、窃O(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　在此項(xiàng)設(shè)計(jì)中，速度通過(guò)磁性傳感器轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的電信號(hào)，由PLC高速計(jì)數(shù)端采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。除了安全規(guī)程規(guī)定的六項(xiàng)保護(hù)以外，他們還根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)置了閘皮磨損保護(hù)、盤(pán)形閘和捕帶器不能夠有效松開(kāi)的閉鎖、給煤機(jī)閉鎖控制保護(hù)等。各種保護(hù)信號(hào)進(jìn)入PLC，根據(jù)故障性質(zhì)判斷急停和延時(shí)停車(chē)等。此項(xiàng)研究成果根據(jù)下運(yùn)帶式輸送機(jī)傾角大、運(yùn)行工況特殊的特點(diǎn)，以PLC為控制核心，比較好地解決了速度信號(hào)的檢測(cè)、速度與加速度控制和三級(jí)超速的制動(dòng)控制等問(wèn)題。

　　5 四象限變頻調(diào)速裝置在下運(yùn)帶式輸送機(jī)的應(yīng)用

　　受地質(zhì)條件、采場(chǎng)布置等因素影響，煤礦井下不可避免會(huì)出現(xiàn)帶式輸送機(jī)上行運(yùn)輸、水平運(yùn)輸、下行運(yùn)輸及幾種條件同時(shí)出現(xiàn)的情況。當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)距離下行運(yùn)輸?shù)那闆r時(shí)，在輸送機(jī)膠帶及所載物料的自身重力作用下，包括輸送機(jī)在內(nèi)的控制系統(tǒng)完全處于失控狀態(tài)，造成影響礦井原煤生產(chǎn)的安全隱患。兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司興隆莊煤礦將西采區(qū)上山帶式輸送機(jī)由采用液粘型軟起動(dòng)裝置改為采用四象限變頻器進(jìn)行負(fù)力狀態(tài)下的控制與拖動(dòng)，為解決此類(lèi)問(wèn)題奠定較好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

　?、潘南笙拮冾l裝置工作原理

　　①四象限變頻器工作原理。采用一系列技術(shù)手段滿(mǎn)足變頻器在四象限工作的需要，將整流電路由全波整流橋改為由智能功率模塊IPM構(gòu)成的可控硅整流橋。電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四象限變頻器與二象限變頻器的工作完全一樣。電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，四象限變頻器的逆變電路作為整流電路工作，整流電路作為逆變電路工作，相當(dāng)于變頻器向電網(wǎng)回饋能量。

　?、谀芰炕仞佋怼Ｋ南笙拮冾l器輸入的交流電都是三相的，電網(wǎng)電壓可用既有幅值又有角度的電壓向量表示。角度的概念是“沒(méi)有對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行任何控制，故可將它視為0°，并以其為參考對(duì)其它相關(guān)量進(jìn)行度量”。通常在電網(wǎng)電壓示意圖中，電網(wǎng)電壓被描述為1條角度為0°的水平線。電網(wǎng)電壓向量按照電網(wǎng)頻率每秒鐘旋轉(zhuǎn)50或60個(gè)360°;逆變器輸出的逆變電壓也是三相電壓，在相位上超前電網(wǎng)電壓約90°，其幅值比輸入電壓稍大一些。在四象限變頻器系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓之間串有1個(gè)輸入電抗器，其兩端的電壓為電網(wǎng)電壓向量與逆變器輸出電壓向量的差，而通常在電網(wǎng)電壓示意圖中用1條垂直的線來(lái)表示，恰好與輸入電壓向量成90°。在交流回路中，電抗器中的電流總是滯后于其兩端電壓90°，這就意味著電抗器中的電流方向與電網(wǎng)電壓的方向相同。輸入電壓和電抗器輸入電流之間的夾角是0°(兩者同相)，系統(tǒng)功率因數(shù)為1(cos0°=1)。四象限變頻器能夠控制其輸出電壓在圓形的任何一點(diǎn)，輸入電流被控制為任意需要的大小和方向，系統(tǒng)可在任何功率因數(shù)下工作。同樣，系統(tǒng)可控制輸入電流反相以使系統(tǒng)工作在再生狀態(tài)，或控制其與輸入電壓成90°以使系統(tǒng)僅提供無(wú)功電流。四象限變頻器通過(guò)自動(dòng)控制其輸出電壓的大小和方向同時(shí)實(shí)現(xiàn)上面兩種功能及其所需的能量傳輸，并且也可得到相應(yīng)的無(wú)功電流以獲得所期望的功率因數(shù)。在正常運(yùn)行時(shí)，四象限變頻器通過(guò)內(nèi)置的PID控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入電流使直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的水平上，用戶(hù)可以單獨(dú)設(shè)定其無(wú)功電流的數(shù)值。

　?、苾煞N方式的比較

　?、賳?dòng)過(guò)程。采用液力耦合器起動(dòng)裝置時(shí)，帶式輸送機(jī)依靠重力自行運(yùn)行，系統(tǒng)處于失控狀態(tài)。采用四象限變頻器時(shí)，帶式輸送機(jī)完全在變頻器控制的頻率及速度下運(yùn)行;變頻器采用矢量控制技術(shù)具有較大的啟動(dòng)力矩，0.5Hz時(shí)達(dá)到2倍額定力矩,保證重載起動(dòng)的要求。

　　②運(yùn)行過(guò)程。四象限變頻器運(yùn)行過(guò)程中不是電動(dòng)機(jī)超過(guò)1520rpm才處在發(fā)電狀態(tài)，而是隨時(shí)都可能產(chǎn)生短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)負(fù)力，電動(dòng)機(jī)達(dá)到1520rpm時(shí)系統(tǒng)在超速狀態(tài)下運(yùn)行。采用液力耦合器起動(dòng)裝置時(shí)負(fù)力完全是通過(guò)機(jī)械裝置或由電動(dòng)機(jī)發(fā)熱來(lái)消耗。采用變頻器則是隨時(shí)將產(chǎn)生的負(fù)力回饋到電網(wǎng)中，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率，系統(tǒng)不可能超速，運(yùn)行更安全可靠。

　　③制動(dòng)過(guò)程。液力耦合器起動(dòng)裝置在正力、負(fù)力下均不能控制電動(dòng)機(jī)速度，完全靠機(jī)械裝置或電動(dòng)機(jī)發(fā)熱使系統(tǒng)停下，只控制帶式輸送機(jī)的開(kāi)停狀態(tài)，制動(dòng)過(guò)程是不可控的。

　?、茇?fù)力。四象限變頻器監(jiān)測(cè)負(fù)力的產(chǎn)生，隨時(shí)將負(fù)力回饋電網(wǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中正力到負(fù)力及負(fù)力到正力過(guò)程的平穩(wěn)控制。

　　6 西門(mén)子PLC在煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司兗州煤礦機(jī)械廠和濟(jì)寧礦業(yè)(集團(tuán))公司運(yùn)河煤礦根據(jù)煤礦井下運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況及要求，吸取國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，選用西門(mén)子公司的S7-200CPU226可編程控制器對(duì)原有的電控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，增加新的功能。在運(yùn)河煤礦的實(shí)踐表明，此系統(tǒng)可靠性高、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，而且具有可擴(kuò)展性，為今后實(shí)現(xiàn)全礦井生產(chǎn)集中控制打下了良好的基礎(chǔ)。

　?、趴刂葡到y(tǒng)硬件

　　煤礦井下帶式輸送機(jī)擔(dān)負(fù)著運(yùn)輸煤炭的重要任務(wù)，其電控系統(tǒng)自動(dòng)化程度的高低直接影響到煤礦的產(chǎn)量和效益。基于煤礦井下環(huán)境惡劣，他們選用的PLC可靠性高、配置靈活，而且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力。PLC參與帶式輸送機(jī)控制全過(guò)程，是控制系統(tǒng)的核心，包括24路輸入、16路輸出、擴(kuò)展1個(gè)模擬量模塊EM231-4路模擬量輸入和1個(gè)EM235，MA+、MA-、MD+、MD-接收傳感器傳來(lái)的電流信號(hào)。這個(gè)模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間<250μs，分辨率為12位，轉(zhuǎn)換精度為0.025%。OP3顯示器作為S7-200PLC人機(jī)界面，功能強(qiáng)、價(jià)格低，而且只需要1根專(zhuān)用電纜，不需要單獨(dú)的電源。他們采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為油壓調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置。

　　⑵系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　①系統(tǒng)控制功能軟件。包括正常起車(chē)、正常運(yùn)行、正常停車(chē)、緊急停車(chē)、故障保護(hù)等部分，由PLC實(shí)時(shí)測(cè)控軟件構(gòu)成，采用梯形圖邏輯編制，編程容易、簡(jiǎn)潔明了、修改方便。PLC起動(dòng)后即執(zhí)行此程序，在執(zhí)行過(guò)程中可以隨時(shí)響應(yīng)人機(jī)界面的訪問(wèn)。

　　②系統(tǒng)操作功能軟件。主要為人機(jī)對(duì)話(huà)界面，軟件設(shè)計(jì)利用SIMATIC ProTool組態(tài)軟件借助中文WINDOWS操作系統(tǒng)可以很方便完成包括下拉式菜單設(shè)計(jì)、I/O信息顯示、趨勢(shì)報(bào)警及有關(guān)數(shù)據(jù)與表格的更新、存儲(chǔ)、輸出等。由于其電控裝置應(yīng)用在煤礦井下，環(huán)境相對(duì)惡劣，為了防止干擾，他們對(duì)電流、溫度、運(yùn)煤量等模擬量信號(hào)和速度數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行平均值濾波。

　?、枪δ芴攸c(diǎn)

　?、倏刂乒δ?。系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)/手動(dòng)2種控制方式。微機(jī)控制箱設(shè)有正常起車(chē)、正常停車(chē)、緊急停車(chē)、故障復(fù)位等按鈕。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生緊急故障時(shí)，只有當(dāng)故障排除后按下故障復(fù)位按鈕才能重新起車(chē)。在自動(dòng)狀態(tài)下，按下電控裝置的正常起車(chē)按鈕，啟動(dòng)主電機(jī)，安裝在帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒下的速度傳感器發(fā)出脈沖信號(hào)，PLC內(nèi)部程序計(jì)算出輸送機(jī)速度和啟動(dòng)加速度。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)加速度與實(shí)際的加速度進(jìn)行比較，其差值經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)數(shù)字壓力閥控制油壓，使啟動(dòng)加速度控制在設(shè)定值。

　?、诒Ｗo(hù)功能。沿線故障保護(hù)，為了更及時(shí)判斷和處理故障，選用了故障地址識(shí)別裝置，可將沿線閉鎖開(kāi)關(guān)發(fā)來(lái)的跑偏、縱撕、閉鎖等故障及故障地址、停機(jī)信號(hào)進(jìn)行顯示和處理，并將信號(hào)用無(wú)電位接點(diǎn)的形式并行輸出，供給PLC與其它控制裝置;電動(dòng)機(jī)溫度保護(hù)，主電動(dòng)機(jī)定子繞組裝入熱電阻，變換成電流信號(hào)輸入模擬量輸入模塊，CPU226把它換算成電機(jī)溫度，和設(shè)定溫度比較，檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)超溫即停車(chē)，轉(zhuǎn)故障處理;電動(dòng)機(jī)電流保護(hù)，主電機(jī)電流經(jīng)過(guò)電流變送器輸出電流信號(hào)，輸入到數(shù)字輸入模塊，檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)電流超過(guò)額定電流時(shí)就立即停車(chē)，轉(zhuǎn)故障處理。

　　7 下運(yùn)帶式輸送機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研制

　　帶式輸送機(jī)因?yàn)楣?jié)能、管理方便而在煤礦井下得到普遍采用。下運(yùn)帶式輸送機(jī)由于物料 (煤炭)本身重力的下滑分力運(yùn)送，更加節(jié)能，但由于控制系統(tǒng)沒(méi)有很好地解決而限制了其應(yīng)用范圍。針對(duì)下運(yùn)帶式輸送機(jī)存在的膠帶打滑和電動(dòng)機(jī)飛車(chē)等問(wèn)題，兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司東灘煤礦和山東科技大學(xué)研究出帶式輸送機(jī)在下運(yùn)情況下的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并利用抗干擾性能較好的三菱系列PLC作為微型控制器，對(duì)下運(yùn)帶式輸送機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和PID進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)在大屯煤電(集團(tuán))公司孔莊煤礦、濟(jì)寧里彥煤礦、山東能源新汶礦業(yè)(集團(tuán))公司翟鎮(zhèn)煤礦井下的安全運(yùn)行。

　　⑴總體控制方案

　?、儆?jì)算機(jī)控制器。這個(gè)智能控制器可完成數(shù)據(jù)(速度)的采集與處理，實(shí)現(xiàn)各種控制算法，輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)控制主電動(dòng)機(jī)和給料系統(tǒng)的啟停，輸出模擬電壓信號(hào)控制液壓系統(tǒng)。

　?、谝簤合到y(tǒng)。由液壓電磁換向閥、油箱、電液比例閥等組成。通過(guò)控制電液比例閥的電壓，實(shí)現(xiàn)控制其液壓回路的壓力，相當(dāng)于1個(gè)二階環(huán)節(jié)。

　?、郾P(pán)式制動(dòng)器。將液壓力轉(zhuǎn)換為幾修制動(dòng)力，相當(dāng)于1個(gè)比例環(huán)節(jié)。在沒(méi)有油壓時(shí)制動(dòng)器靠彈簧力產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

　　④電動(dòng)機(jī)。應(yīng)用負(fù)載來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在通電狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速或二象限內(nèi)。此時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載關(guān)系近似為線性比例環(huán)節(jié)。

　　⑤膠帶。膠帶很長(zhǎng)并且張緊力足夠時(shí)，可認(rèn)為膠帶在工作過(guò)程中是1個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)。

　?、逌y(cè)速系統(tǒng)裝置。測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和膠帶速度，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行等效比較，是2個(gè)比較環(huán)節(jié)。

　?、破疖?chē)停車(chē)計(jì)算機(jī)控制

　　下運(yùn)帶式輸送機(jī)工作在大傾角下運(yùn)情況下容易出現(xiàn)以下情況：由于重力作用，物料會(huì)通過(guò)摩擦力帶動(dòng)膠帶、滾筒、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)工作于二象限的發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。如果電動(dòng)機(jī)送電不及時(shí)，物料使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于其同步轉(zhuǎn)速時(shí)則會(huì)燒壞電動(dòng)機(jī)。停車(chē)時(shí)，如果在電動(dòng)機(jī)工作于二象限時(shí)斷電，電動(dòng)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)飛車(chē)。計(jì)算機(jī)在起車(chē)時(shí)控制系統(tǒng)輸出直流電壓使液壓系統(tǒng)工作，盤(pán)式制動(dòng)器松閘。如果膠帶上沒(méi)有物料，則在延時(shí)一段時(shí)間后控制電動(dòng)機(jī)送電，使主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)膠帶運(yùn)行并送料使系統(tǒng)工作;如果膠帶上有物料則帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于液壓系統(tǒng)是1個(gè)二階系統(tǒng)，液壓力上升需要一段時(shí)間，盤(pán)式制動(dòng)器緩慢松動(dòng)，電動(dòng)機(jī)在摩擦力作用下逐漸加速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1490rpm時(shí)給電動(dòng)機(jī)送電，使電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)并緩慢過(guò)渡到發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。這種控制方式使膠帶啟動(dòng)運(yùn)行比較平穩(wěn)。在停車(chē)時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)且轉(zhuǎn)速大于1500rpm，則先停止給料系統(tǒng)使膠帶速度及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢減低，同時(shí)加入液壓制動(dòng)力，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減少到1500rpm后斷電。

　?、浅俚挠?jì)算機(jī)控制

　　在帶式輸送機(jī)的工作過(guò)程中，由于物料的不確定性，容易出現(xiàn)膠帶拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象。如果物料過(guò)多，電動(dòng)機(jī)工作于二象限，膠帶下滑摩擦力大于電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)的制動(dòng)力時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界點(diǎn)而出現(xiàn)飛車(chē)事故。為了安全運(yùn)行，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1580rpm左右時(shí)停止給料。由于膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)是1個(gè)較大的慣性環(huán)節(jié)，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍然有可能上升，此時(shí)必須采用可靠的制動(dòng)控制。

　?、却蚧瑺顩r的計(jì)算機(jī)控制

　　在帶式輸送機(jī)的工作過(guò)程中，由于膠帶張緊力不夠，致使膠帶和滾筒之間的靜摩擦狀態(tài)不能保持。膠帶速度大于電動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的打滑，其原因是膠帶和滾筒的摩擦力不夠，致使物料帶動(dòng)膠帶沿滾筒滑動(dòng)，控制的方法只能停止給料，使膠帶的下滑力減少，逐漸恢復(fù)摩擦力，而不應(yīng)當(dāng)停車(chē)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與膠帶等效轉(zhuǎn)速相同后故障消除。當(dāng)膠帶速度小于電動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的打滑，其原因是膠帶與滾筒的摩擦力不夠、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于膠帶的速度，致使膠帶系統(tǒng)不能有效運(yùn)送物料，這時(shí)應(yīng)停止電動(dòng)機(jī)來(lái)增加膠帶張緊力，從而加大膠帶與滾筒的摩擦力。這里采用1個(gè)開(kāi)關(guān)控制器。

　　8 主煤流膠帶運(yùn)輸?shù)孛婕锌刂葡到y(tǒng)

　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司興隆莊煤礦研制的“煤礦井下主煤流膠帶運(yùn)輸?shù)孛婕锌刂葡到y(tǒng)”，集控制、檢測(cè)和監(jiān)測(cè)為一體，在我國(guó)首家實(shí)現(xiàn)了地面對(duì)井下主煤流膠帶運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)距離(10km以?xún)?nèi))、多點(diǎn)位(2000點(diǎn)以上)信息傳輸和無(wú)崗點(diǎn)操作管理人員的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)地面遠(yuǎn)程集中控制煤礦井下機(jī)電設(shè)備的先例，系統(tǒng)自動(dòng)化程度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

　　煤礦井下主煤流膠帶運(yùn)輸?shù)孛婕锌刂葡到y(tǒng)以分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)為主，包括了地面控制中心、井下控制中心和11個(gè)監(jiān)控分站，具有在線監(jiān)測(cè)、分析以及完善的保護(hù)與報(bào)警功能，完全符合煤礦井下帶式輸送機(jī)輸煤系統(tǒng)安全生產(chǎn)的要求。

　　在興隆莊煤礦井下的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)檢測(cè)和工業(yè)性運(yùn)行表明，該系統(tǒng)的技術(shù)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，開(kāi)機(jī)率由原來(lái)的60%提高到95%以上，系統(tǒng)輸煤能力也從1000t/h提高到1200t/h，同時(shí)還極大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　專(zhuān)家們指出：此項(xiàng)成果運(yùn)用自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、傳感器、工業(yè)電視、光纖通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用觸摸屏或鼠標(biāo)控制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像信息傳輸，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)煤流方向膠帶的順序開(kāi)停和無(wú)擾切換，具有打滑、跑偏、自動(dòng)滅火斷電、語(yǔ)音報(bào)警等各種保護(hù)功能，免除了人為因素的干擾，避免整個(gè)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)帶載停車(chē)與堆煤事故的發(fā)生;它首次將先進(jìn)的冗余技術(shù)應(yīng)用于煤礦膠帶輸送機(jī)的集中控制，實(shí)現(xiàn)了地面和井下控制中心的3臺(tái)計(jì)算機(jī)互為熱備，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性;所開(kāi)發(fā)的防爆兼本安型帶式輸送輸送機(jī)自動(dòng)控制裝置具有完善的數(shù)據(jù)采集和控制功能，亦可以作為單臺(tái)帶式輸送輸送機(jī)的自動(dòng)控制裝置。

　　9 結(jié)束語(yǔ)

　　兗州礦區(qū)的礦、廠與科研單位和院校共同合作攻關(guān)，開(kāi)展了帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)保護(hù)特性與安裝要求的研究和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的研究，研制出主煤流膠帶運(yùn)輸?shù)孛婕锌刂葡到y(tǒng)、KJ2002型帶式輸送機(jī)微機(jī)控制裝置、大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)和下運(yùn)帶式輸送機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行了BXWII-120/115礦用隔爆兼本安型微機(jī)控制箱為核心的電控系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用以及基于ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煤礦井下帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，選用四象限變頻調(diào)速裝置改造下運(yùn)帶式輸送機(jī)、選用西門(mén)子S7-200CPU226可編程控制器對(duì)原有帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和對(duì)采區(qū)下運(yùn)式帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行三菱PLC程序設(shè)計(jì)改造。實(shí)際運(yùn)行情況表明，兗州礦區(qū)應(yīng)用的各種帶式輸送機(jī)控制新技術(shù)不僅在內(nèi)容上有所創(chuàng)新，而且具有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)于我國(guó)的帶式輸送機(jī)控制技術(shù)研究起到了很好的參考作用。