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兖州矿区带式输送机智能控制研究与实践

发布日期:2017-09-29   来源:《智能机器人》4期   作者:李剑峰   浏览次数:662
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【摘   要】:兖州矿业(集团)有限责任公司及下属厂、矿针对以前在矿井带式输送机控制方面 存在的问题进行研究,并且与有关单位共同开展科技攻关,积极应用智能控制新技术,全方 位的提出解决方案并进行实施,显著地提高了矿井带式输送机的控制水平。

 关键煤矿带式输送机智能控制

1 引言

近几年来,兖州矿业(集团)有限责任公司及下属厂、矿针对以前在矿井带式输送机控制方面存在的问题进行了大量的研究试验工作并且与有关单位共同开展科技攻关,积极应用智能控制新技术,全方位提出解决方案并进行实施,显著地提高了矿井带式输送机的控制水平,取得良好的现场使用效果,对国内同行具有相当的参考价值。

2 BXW控制系统在带式输送机上的应用

BXWII-120/115矿用隔爆兼本安型微机控制箱为核心的电控系统,是兖州煤矿机械厂专门为煤矿井下研制的可编程监测控制系统,输入输出点数均可以扩展,语音通讯,可自诊断并具有快开门结构,目前已广泛应用于煤矿井下带式输送机的电气控制、监测和综合保护。

2.1 系统设计

该系统的信号检测、逻辑运算和控制输出等工作过程均由BXWII控制系统自动实现。控制核心部件选用三菱FX2N-48MR可编程控制器,配有RS485接口、模拟量模块和通讯模块等完成带式输送机的现场数据采集及过程控制。FX2N-16CCL-M系统主站块可以使PLC在现场总线CC-Link中作为主站使用,可以接7个远程I/O以及8个远程设备站,最大的传输距离为13.2km,可以有效地节约布线,减小误配线率,方便快捷地使PLC与各种外接设备进行网络通讯,实现远程控制。FX2N-4AD模拟量检测模块采集电机电流信号,具有12位高精度分辨率,4通道,通过软件编程和数据运算实现多台电机功率平衡,提高设备的运行性能,延长设备的使用寿命。采用图形操作显示终端,运用FX-PCS-DU-WIN-C专业软件,设定了用户的显示操作画面、监视画面、数据采样图表、故障报警记录等状态信息,为用户提供了优良的操作环境,并且能够显示和修改工作程序,方便现场的调试工作。

1)信号检测。首先由各种传感器检测出带式输送机的各种信号,并将此输入到BXWII控制箱可编程控制器FX2N-48MR,由PLCCPU判断,同时根据远程或者司机控制输入的要求,依照编定程序完成控制功能,实现启动预告、设备运行和带式输送机保护。被检测的信号基本上可以分为开关量(无电位接点)和模拟量两种。

2)控制输出。控制箱对磁力起动器、电机等外部设备的控制是通过接点的通断来实现的,即开关量控制。开关量的输出分为本安接点输出和隔爆接点输出。

3)运行工况。为了满足日常运行、检修和故障处理等的需要,具备集控、自动(包括正常起车、正常停车、紧急停车和保护停车)、检修和手动4种控制模式。

2.2 技术特点

1)主要技术参数。额定输入电压为交流127V,工作电压为115V24V;额定输入电流为5A;最大输入输出量为256点;具有本安电源输出电压DC24V,电流100mADC12V,电流240mA;表面温度不大于150

2)主要技术特点。具有快开门式结构,安全的机械电气联锁,现场安装接线更为迅速;可编程控制器程式执行迅速,模块化结构,提供了最大的灵活性和控制能力;具有RS485通讯口,可根据需要扩展实现CC-Link工业现场开放式网络联接,方便与其它系统联接进行数据通讯和与矿方监测中心联网;以彩色液晶显示屏显示胶带机的设备运行状态、传感器状态、张紧系统工作状态、控制系统自检信息等;具有起车前的自动预告、沿线打点联络以及语言通讯功能;胶带输送机的运行特性实现主电机的分时、轻载启动、停止等功能;可实现胶带机打滑、跑偏、堆煤、闭锁、灭火洒水、烟雾、超温、纵撕保护及电流、温度、速度的测量等,并可以方便定义和修改所有被测模拟参数的报警值、保护动作值;可与其它井下设备联控如液压自动张紧装置,实现起车前的皮带张紧;具有检修时的安全闭锁功能。

3 ControlNet在煤矿井下带式输送机监控系统的应用

兖州矿业(集团)公司济宁三号煤矿将ControlNet作为井下带式输送机集中控制系统的主干网络,实现带式输送机的集中控制,操作员可以在地面调度室直接监控带式输送机及其各种保护状况,还可以根据采集的数据进行设备故障预测,及时排除故障,保障设备运行。

3.1 系统组成

1)电控装置。以可编程控制器为核心,PLC选用Controllogix5550系统, CPU模块为1756-L55M12处理器。Controllogix系统通过1756-DNBControlNet扫描模块及I/0模块实时测量采集过程量和现场数据,经过1756-L55M12CPU模块综合处理后,将数据传送到现场所控制的设备,完成设备的自动启停;并由1756-CNBR通信模块通过ControlNet送至井下网关和地面工作站;控制屏通过ControlNetControllogix主控分站连接,从PLC获取的现场设备信息,在控制屏上显示并通过控制屏完成现场设备的控制;Controllogix主控分站通过DH+CST软启动控制柜SLC-500T进行通讯,获取CST软启动信息,在控制屏上显示并将CST状态送至地面显示。

2CST可控驱动装置。主要由可控启动传输部分、冷却系统、PLC控制系统和液压控制系统组成,可控启动性能好,具有反馈系统,实时控制启动加速度又可实现可控制动,使带式输送机按预定减速度在规定时间内停车,调速精度高、稳定性强、可靠性高。选用CST可降低基本胶带张力,提高传动效率,较小的安全系数就可获得较高的安全度。

3)张紧装置。采用YZL-300型液压张紧装置,可实现胶带启停时自动张紧。

4)多路组合开关。选用ZB-4×40/660型矿用隔爆型组合开关为CST油泵的电动机、冷却电动机和张紧绞车的电动机提供电源,并且对其进行控制和保护,具有过载保护、漏电保护、短路保护、缺相保护以及漏电闭锁等功能。

5)胶带保护装置。主要有跑偏开关、拉线开关、纵撕传感器、堆煤传感器、烟雾传感器、打滑传感器、洒水装置以及沿线信号装置等。

3.2 通讯方式和网络组建

1)通讯方式。有ControlNetDH+等。ControlNet使用Producer/Consumer通讯模式提高网络效率,允许系统中各组件同时访问同一数据,提供更有效的网络带宽。它为对等通讯提供实时控制与信息服务。作为控制器与I/0设备间的高速连接方式,它融合了已有网络的性能。作为开放式网络,可以实时连接、对等通讯和编程——所有工作都只通过同一根连接线。对于离散型和过程应用场合,它具有确定性和可重复功能。DH+链路是PLC-5sSLCs和其它使用DH+网络设备间传送数据的。这些设备称为站点,单个DH+链路最多可连接32个站点,系统中用于连接CSTSLC/504Controllogix控制系统。

2)网络组建。带式输送机监控系统以ControlNet网络为主构成,组建基本步骤为:a.网络规划。根据系统需要选择节点、同轴电缆和光纤介质,进行合理布线规划。b.网络介质测试与硬件设备连接。将ControlNet网络设备连接到网络上,网络介质测试。c.节点预配置。ControlNet网络通信波特率为5MIT/s,每个网络段最多允许99个节点,且不允许节点地址重复。地址一般连续,且信息优先级高的设备节点地址尽量小,以保证信息及时传送。d.安装和启动软件。罗克韦尔网络组态工具软件RsnetWorx for ControlNete.连接网络。将编程终端连接到网络上,并建立通信。配置ControlNet设备和网络参数,扫描网络上的处理器,RsnetWorx for ControlNet软件通过计算网络的通信负载情况,给出网络刷新时间,通过合理设置使网络性能最优化;保存配置参数,下载到节点设备和ControlNet Keeper中,并保存到网络组态工具软件的配置文件中。

4 大倾角下运带式输送机电控系统研制

随着我国煤炭工业的不断发展和巷道开拓方式的不断创新,大倾角下运带式输送机是必不可少的。兖州煤矿机械厂将大倾角下运带式输送机电控系统与机械系统、制动系统以及液压控制系统构成机电液一体化的带式输送机匀减速闭环控制系统,使得带式输送机能够按照预定的停车减速度平稳地制动停车,完善可靠地解决了负倾角较大向下运输的控制问题。

4.1 主要功能

与机械系统、制动系统以及液压控制系统构成机电液一体化带式输送机匀减速闭环控制系统,使带式输送机能够按照预定的停车减速度平稳制动停车。电动机同步投入启动和同步切除停车控制;轻、重载两种情况下的起车判断;电动机超速保护和控制;输送带高、低速保护及控制;完成带式输送机打滑、跑偏、堆煤、闭锁、灭火洒水、烟雾、超温及纵撕保护等;运行状态及故障类别指示;自动和手动控制功能;可以支持多台主电动机和液压站工作。

4.2 操作方式

PLC电控系统具备自动/手动两种操作方式。在自动方式的时候,全部过程均由控制程序完成;在手动方式的时候,各个设备的通电均由手动操作完成。此项成果以高可靠性的日本三菱FX2N系列PLC为控制核心。带式输送机预警起车,各保护投入检测,PLC可对各个输入口采集的信号进行判断和运算,发出控制指令,实现各台设备的自动控制。当出现故障的时候自动实施紧急停车,并且发出声光故障报警,待故障排除以后方可以再次进行正常起车,完成带式输送机打滑、跑偏、堆料、闭锁、灭火洒水、烟雾、超温以及纵撕保护等。下运带式输送机工作的时候,其带速和电动机速度是两个重要的物理参量,如开车松闸以后的轻、重载判断,电机在同步速度值的投入和切除,三个超速值的设定,胶带高低速打滑以及加速度和二级制动控制等,均需要对电动机和胶带速度进行检测。

4.3 设计特点

在此项设计中,速度通过磁性传感器转换成频率与其成正比的电信号,由PLC高速计数端采集,进行数据运算和处理。除了安全规程规定的六项保护以外,他们还根据设备的特点,设置了闸皮磨损保护、盘形闸和捕带器不能够有效松开的闭锁、给煤机闭锁控制保护等。各种保护信号进入PLC,根据故障性质判断急停和延时停车等。此项研究成果根据下运带式输送机倾角大、运行工况特殊的特点,以PLC为控制核心,比较好地解决了速度信号的检测、速度与加速度控制和三级超速的制动控制等问题。

5 四象限变频调速装置在下运带式输送机的应用

受地质条件、采场布置等因素影响,煤矿井下不可避免会出现带式输送机上行运输、水平运输、下行运输及几种条件同时出现的情况。当出现长距离下行运输的情况时,在输送机胶带及所载物料的自身重力作用下,包括输送机在内的控制系统完全处于失控状态,造成影响矿井原煤生产的安全隐患。兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿将西采区上山带式输送机由采用液粘型软起动装置改为采用四象限变频器进行负力状态下的控制与拖动,为解决此类问题奠定较好的理论基础和实践经验。

5.1 四象限变频装置工作原理

1)四象限变频器工作原理。采用一系列技术手段满足变频器在四象限工作的需要,将整流电路由全波整流桥改为由智能功率模块IPM构成的可控硅整流桥。电动机处于电动状态时,四象限变频器与二象限变频器的工作完全一样。电动机处于发电状态时,四象限变频器的逆变电路作为整流电路工作,整流电路作为逆变电路工作,相当于变频器向电网回馈能量。

2)能量回馈原理。四象限变频器输入的交流电都是三相的,电网电压可用既有幅值又有角度的电压向量表示。角度的概念是“没有对电网电压进行任何控制,故可将它视为,并以其为参考对其它相关量进行度量”。通常在电网电压示意图中,电网电压被描述为1条角度为的水平线。电网电压向量按照电网频率每秒钟旋转5060360°;逆变器输出的逆变电压也是三相电压,在相位上超前电网电压约90°,其幅值比输入电压稍大一些。在四象限变频器系统中,电网电压与逆变器输出电压之间串有1个输入电抗器,其两端的电压为电网电压向量与逆变器输出电压向量的差,而通常在电网电压示意图中用1条垂直的线来表示,恰好与输入电压向量成90°。在交流回路中,电抗器中的电流总是滞后于其两端电压90°,这就意味着电抗器中的电流方向与电网电压的方向相同。输入电压和电抗器输入电流之间的夹角是(两者同相),系统功率因数为1cos0°=1)。四象限变频器能够控制其输出电压在圆形的任何一点,输入电流被控制为任意需要的大小和方向,系统可在任何功率因数下工作。同样,系统可控制输入电流反相以使系统工作在再生状态,或控制其与输入电压成90°以使系统仅提供无功电流。四象限变频器通过自动控制其输出电压的大小和方向同时实现上面两种功能及其所需的能量传输,并且也可得到相应的无功电流以获得所期望的功率因数。在正常运行时,四象限变频器通过内置的PID控制器动态调整输入电流使直流母线电压稳定在预设的水平上,用户可以单独设定其无功电流的数值。

5.2 两种方式的比较

1)启动过程。采用液力耦合器起动装置时,带式输送机依靠重力自行运行,系统处于失控状态。采用四象限变频器时,带式输送机完全在变频器控制的频率及速度下运行;变频器采用矢量控制技术具有较大的启动力矩,0.5Hz时达到2倍额定力矩,保证重载起动的要求。

2)运行过程。四象限变频器运行过程中不是电动机超过1520rpm才处在发电状态,而是随时都可能产生短时或长时负力,电动机达到1520rpm时系统在超速状态下运行。采用液力耦合器起动装置时负力完全是通过机械装置或由电动机发热来消耗。采用变频器则是随时将产生的负力回馈到电网中,通过控制电动机的运行频率,系统不可能超速,运行更安全可靠。

3)制动过程。液力耦合器起动装置在正力、负力下均不能控制电动机速度,完全靠机械装置或电动机发热使系统停下,只控制带式输送机的开停状态,制动过程是不可控的。
   
4)负力。四象限变频器监测负力的产生,随时将负力回馈电网,同时实现系统运行中正力到负力及负力到正力过程的平稳控制。

6 西门子PLC在煤矿带式输送机控制系统的应用

兖州矿业(集团)公司兖州煤矿机械厂和济宁矿业(集团)公司运河煤矿根据煤矿井下运输的实际情况及要求,吸取国内外同类产品的先进经验,选用西门子公司的S7-200CPU226可编程控制器对原有的电控系统进行自动化改造,增加新的功能。在运河煤矿的实践表明,此系统可靠性高、操作简单、运行稳定,而且具有可扩展性,为今后实现全矿井生产集中控制打下了良好的基础。

6.1 控制系统硬件

煤矿井下带式输送机担负着运输煤炭的重要任务,其电控系统自动化程度的高低直接影响到煤矿的产量和效益。基于煤矿井下环境恶劣,他们选用的PLC可靠性高、配置灵活,而且具有良好的环境适应性和抗干扰能力。PLC参与带式输送机控制全过程,是控制系统的核心,包括24路输入、16路输出、扩展1个模拟量模块EM231-4路模拟量输入和1EM235MA+MA-MD+MD-接收传感器传来的电流信号。这个模块的模数转换时间<250μs,分辨率为12位,转换精度为0.025%OP3显示器作为S7-200PLC人机界面,功能强、价格低,而且只需要1根专用电缆,不需要单独的电源。他们采用步进电动机作为油压调节执行装置。

6.2 系统软件设计

1)系统控制功能软件。包括正常起车、正常运行、正常停车、紧急停车、故障保护等部分,由PLC实时测控软件构成,采用梯形图逻辑编制,编程容易、简洁明了、修改方便。PLC起动后即执行此程序,在执行过程中可以随时响应人机界面的访问。

2)系统操作功能软件。主要为人机对话界面,软件设计利用SIMATIC ProTool组态软件借助中文WINDOWS操作系统可以很方便完成包括下拉式菜单设计、I/O信息显示、趋势报警及有关数据与表格的更新、存储、输出等。由于其电控装置应用在煤矿井下,环境相对恶劣,为了防止干扰,他们对电流、温度、运煤量等模拟量信号和速度数字量信号进行平均值滤波。

6.3 功能特点

1)控制功能。系统设有自动/手动2种控制方式。微机控制箱设有正常起车、正常停车、紧急停车、故障复位等按钮。当系统发生紧急故障时,只有当故障排除后按下故障复位按钮才能重新起车。在自动状态下,按下电控装置的正常起车按钮,启动主电机,安装在带式输送机驱动滚筒下的速度传感器发出脉冲信号,PLC内部程序计算出输送机速度和启动加速度。根据预先设定的启动加速度与实际的加速度进行比较,其差值经数据处理后,控制步进电动机调节数字压力阀控制油压,使启动加速度控制在设定值。

2)保护功能。沿线故障保护,为了更及时判断和处理故障,选用了故障地址识别装置,可将沿线闭锁开关发来的跑偏、纵撕、闭锁等故障及故障地址、停机信号进行显示和处理,并将信号用无电位接点的形式并行输出,供给PLC与其它控制装置;电动机温度保护,主电动机定子绕组装入热电阻,变换成电流信号输入模拟量输入模块,CPU226把它换算成电机温度,和设定温度比较,检测到电动机超温即停车,转故障处理;电动机电流保护,主电机电流经过电流变送器输出电流信号,输入到数字输入模块,检测出电动机电流超过额定电流时就立即停车,转故障处理。

7 下运带式输送机计算机控制系统研制

带式输送机因为节能、管理方便而在煤矿井下得到普遍采用。下运带式输送机由于物料 (煤炭)本身重力的下滑分力运送,更加节能,但由于控制系统没有很好地解决而限制了其应用范围。针对下运带式输送机存在的胶带打滑和电动机飞车等问题,兖州矿业(集团)公司东滩煤矿和山东科技大学研究出带式输送机在下运情况下的计算机控制系统,并利用抗干扰性能较好的三菱系列PLC作为微型控制器,对下运带式输送机计算机控制系统和PID进行控制,实现此系统在大屯煤电(集团)公司孔庄煤矿、济宁里彦煤矿、山东能源新汶矿业(集团)公司翟镇煤矿井下的安全运行。

7.1 总体控制方案

1)计算机控制器。这个智能控制器可完成数据(速度)的采集与处理,实现各种控制算法,输出开关控制信号控制主电动机和给料系统的启停,输出模拟电压信号控制液压系统。

2)液压系统。由液压电磁换向阀、油箱、电液比例阀等组成。通过控制电液比例阀的电压,实现控制其液压回路的压力,相当于1个二阶环节。

3)盘式制动器。将液压力转换为几修制动力,相当于1个比例环节。在没有油压时制动器靠弹簧力产生制动力矩。

4)电动机。应用负载来改变电动机转速。在通电状态下,电动机工作于同步转速或二象限内。此时的电动机转速与负载关系近似为线性比例环节。

5)胶带。胶带很长并且张紧力足够时,可认为胶带在工作过程中是1个二阶振荡环节。

6)测速系统装置。测量电动机转速和胶带速度,在计算机中进行等效比较,是2个比较环节。

7.2 起车停车计算机控制

下运带式输送机工作在大倾角下运情况下容易出现以下情况:由于重力作用,物料会通过摩擦力带动胶带、滚筒、电动机转动,使电动机工作于二象限的发电制动状态。如果电动机送电不及时,物料使电动机转速大于其同步转速时则会烧坏电动机。停车时,如果在电动机工作于二象限时断电,电动机就会出现飞车。计算机在起车时控制系统输出直流电压使液压系统工作,盘式制动器松闸。如果胶带上没有物料,则在延时一段时间后控制电动机送电,使主电动机转动,带动胶带运行并送料使系统工作;如果胶带上有物料则带动电动机转动。由于液压系统是1个二阶系统,液压力上升需要一段时间,盘式制动器缓慢松动,电动机在摩擦力作用下逐渐加速转动。当电动机转速达到1490rpm时给电动机送电,使电动机工作于电动状态并缓慢过渡到发电制动状态。这种控制方式使胶带启动运行比较平稳。在停车时,如果电动机工作于发电制动状态且转速大于1500rpm,则先停止给料系统使胶带速度及电动机转速缓慢减低,同时加入液压制动力,待电动机转速减少到1500rpm后断电。

7.3 超速的计算机控制

在带式输送机的工作过程中,由于物料的不确定性,容易出现胶带拖动电动机转动而产生电动机转速超过临界转速的现象。如果物料过多,电动机工作于二象限,胶带下滑摩擦力大于电动机发电状态的制动力时,电动机转速超过临界点而出现飞车事故。为了安全运行,在电动机转速1580rpm左右时停止给料。由于胶带运输系统和液压制动系统是1个较大的惯性环节,因此电动机转速仍然有可能上升,此时必须采用可靠的制动控制。

7.4 打滑状况的计算机控制

在带式输送机的工作过程中,由于胶带张紧力不够,致使胶带和滚筒之间的静摩擦状态不能保持。胶带速度大于电动机等效转速出现的打滑,其原因是胶带和滚筒的摩擦力不够,致使物料带动胶带沿滚筒滑动,控制的方法只能停止给料,使胶带的下滑力减少,逐渐恢复摩擦力,而不应当停车,电动机转速与胶带等效转速相同后故障消除。当胶带速度小于电动机等效转速出现的打滑,其原因是胶带与滚筒的摩擦力不够、电动机转速大于胶带的速度,致使胶带系统不能有效运送物料,这时应停止电动机来增加胶带张紧力,从而加大胶带与滚筒的摩擦力。这里采用1个开关控制器。

8 主煤流胶带运输地面集中控制系统

中国矿业大学和兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿研制的煤矿井下主煤流胶带运输地面集中控制系统,集控制、检测和监测为一体,在我国首家实现了地面对井下主煤流胶带运输的长距离(10km以内)、多点位(2000点以上)信息传输和无岗点操作管理人员的远程集中监测监控,开创了我国地面远程集中控制煤矿井下机电设备的先例,系统自动化程度达到了国际先进水平。

煤矿井下主煤流胶带运输地面集中控制系统以分布式计算机控制系统(DCS)为主,包括了地面控制中心、井下控制中心和11个监控分站,具有在线监测、分析以及完善的保护与报警功能,完全符合煤矿井下带式输送机输煤系统安全生产的要求。

在兴隆庄煤矿井下的现场技术检测和工业性运行表明,该系统的技术性能达到了设计的要求,开机率由原来的60%提高到95%以上,系统输煤能力也从1000t/h提高到1200t/h,同时还极大地减轻了操作人员的劳动强度。

专家们指出:此项成果运用自动化、计算机、传感器、工业电视、光纤通讯及网络技术,采用触摸屏或鼠标控制方式进行数据和图像信息传输,可以实现各个煤流方向胶带的顺序开停和无扰切换,具有打滑、跑偏、自动灭火断电、语音报警等各种保护功能,免除了人为因素的干扰,避免整个胶带运输系统带载停车与堆煤事故的发生;它首次将先进的冗余技术应用于煤矿胶带输送机的集中控制,实现了地面和井下控制中心的3台计算机互为热备,提高了整个系统的可靠性;所开发的防爆兼本安型带式输送输送机自动控制装置具有完善的数据采集和控制功能,亦可以作为单台带式输送输送机的自动控制装置。

9 结束语

兖州矿区的矿、厂与科研单位和院校共同合作攻关,开展了带式输送机集控系统保护特性与安装要求的研究和多点驱动带式输送机联动控制的研究,研制出主煤流胶带运输地面集中控制系统、KJ2002型带式输送机微机控制装置、大倾角下运带式输送机电控系统和下运带式输送机计算机控制系统,进行了BXWII-120/115矿用隔爆兼本安型微机控制箱为核心的电控系统在带式输送机上的应用以及基于ControlNet现场总线技术在煤矿井下带式输送机监控系统的应用,选用四象限变频调速装置改造下运带式输送机、选用西门子S7-200CPU226可编程控制器对原有带式输送机控制系统进行改造和对采区下运式带式输送机电控系统进行三菱PLC程序设计改造。实际运行情况表明,兖州矿区应用的各种带式输送机控制新技术不仅在内容上有所创新,而且具有很强的实用性,对于我国的带式输送机控制技术研究起到了很好的参考作用。

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