一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用

王 新，郭 俊

(1.内蒙古农业大学 职业技术学院，内蒙古 包头 014109；2.内蒙古机电职业技术学院 机电工程系，内蒙古 呼和浩特 010070)

煤矿主立井提升系统中，定量装载作业作为煤炭提升运输中的一个组成环节，其运行状况的高效与否直接影响着整个矿井的产出。新版《煤矿安全规程》规定箕斗提升必须采用定重装载，主要为了保证箕斗内所装煤炭的实际重量≤箕斗额定载重，防止超重坠斗事故的发生。目前，煤矿井下装载作业主要有2种装载方式：定量斗和定量输送机装载[1]。国内学者针对上述2种装载方式存在的优缺点，进行了不同方法的改进。如王淼[2]等考虑到大型容器在对物体称重时，受本身结构影响，难以保证容器在装载过程中的稳定性，故建立了定量斗三维模型，通过对装载过程中冲击载荷的计算，分析出了定量斗重心位置随装载煤量变化的变化公式，为定量容器设计提供了理论指导，具有较大的参考价值；秦健等[3]基于PLC、触摸屏、模拟量模块等主要元件，设计了一种新的定重带式输送机箕斗装载提升控制系统，主要是在输送机下均匀分布安装8个液压称重装置，取平均值作为最终的称重结果，具有较大的借鉴价值，但存在结构较为复杂，可靠性不高等缺点。本文结合煤矿主立井提升运输实际工作情况，从原有煤矿井下装载设备的基础上出发，分析、总结所涉及到的关键问题，对定量装载称重方法和装置进行了研究，设计一种结构简单、可靠性较高的可控箕斗定量装载设备，为煤矿设计符合实际需求的定量装载设备和合适的装载控制系统提供了指导，加强了煤矿提升的科学化管理和自动化水平。

1 总体方案设计

可控定量装载设备由硬件和软件两部分构成，二者协同完成主立井煤炭的定量装载作业。硬件机构主要包括储煤装载仓、称重模块、活溜槽、扇形门、液压缸等，是通过AutoCAD Electrical 2012制图软件绘制、加工完成的。同时，由于可控定量装载设备的控制要求不高，故采用西门子S7-200 PLC控制器作为系统的控制核心；软件部分包含PLC控制软件和触摸屏软件。其中，PLC控制软件主要负责定量装载设备运行数据的采集，并自动输出逻辑控制命令。触摸屏软件采用北京昆仑通泰公司开发的MCGS通用版6.2编写，用户可通过触摸屏与PLC进行通讯，查询相关数据参数并进行手动控制，实现与现场设备的信息交互[4]。系统总体方案设计如图1所示。

图1 系统总体方案设计

2 定量装载设备设计

定量装载设备主要由储煤装载仓、称重模块、活溜槽、扇形门、液压缸等组成。其中，储煤装载仓用来接收胶带机输送过来的煤，方便称重模块完成对煤炭的称重计量；称重模块主要是基于力-电转换原理，将采集到的模拟信号实时传输给PLC，并与系统预设的吨数进行比较，从而作出相应的逻辑判断；活溜槽和扇形门则用来控制储煤装载仓中的煤是否流入箕斗，开启或关闭都有一定的顺序，受S7-200 PLC控制；液压缸则是为扇形门和活溜槽的启闭提供动力来源[5]。定量装载设备结构如图2所示。

图2 定量装载设备设计

2.1 称重模块的设计

称重模块的类型很多，具体型号可根据储煤装载仓的容量进行选择。考虑到测量原理、工艺成熟度等方面，其内部采用了全桥式应变传感器。称重模块选用动载称重类型，可供选择的型号有CWC，CW等。其中，CWC型号为不锈钢材质，可承受220kg～20t的重量，输出灵敏度2.007mV/N，输入阻抗728Ω，供电电源电压10V，综合误差0.05%FS。称重模块结构如图3所示。

图3 称重模块结构示意

2.2 活溜槽结构设计

活溜槽是煤炭装载系统中重要的设备，其作用是减少装载时的撒煤。活溜槽固定在计量装载仓下端，其下面安放有液压缸，活溜槽和液压缸连在一起。当活溜槽需要打开时，液压站打开液压缸，提供动力顶出活溜槽；当活溜槽需要关闭时，液压缸收回并拉回活溜槽。正常情况下，传感器检测箕斗到位后，活溜槽才可以动作，起到位，扇形门才可以打开，反之亦然，从而保证不会撒煤。另外，计量装载仓内如果是空的，或者卷扬机在运行时，活溜槽也是无法动作的，这样就减少了误动作，保证了系统的安全可靠。活溜槽结构示意如图4所示。

图4 活溜槽结构示意

2.3 扇形门结构设计

扇形门和液压缸一端连在一起，扇形门开启关闭依靠液压缸提供的动力。当扇形门需要打开时，液压缸收缩拉动扇形门，完成扇形门开启动作；当扇形门需要关闭时，液压缸伸出带动扇形门，完成扇形门关闭动作。为了定量装载作业的效率，扇形门打开、关闭时间应不大于5s。扇形门结构示意如图5所示。

图5 扇形门结构示意

3 系统软件设计

系统的软件设计包括PLC软件和触摸屏软件设计2部分内容。其中，PLC软件设计中采用梯形图语言的编程方式，主要负责定量装载设备运行的控制和传感器信号的采集；触摸屏软件设计选用的是北京昆仑的MCGS嵌入式组态软件，以便与硬件配套，主要完成现场人员与设备的信息交互[6-7]。同时，在实际控制方面，采用了闭环控制和半闭环控制2种控制方式。

3.1 PLC软件设计

根据煤矿主立井箕斗定量装载实际的自动化生产流程，整体设备运行的控制程序功能应包括：自动/手动控制、急停控制、称重采集、扇形门启停、活溜槽启停、储煤装载仓超载报警等功能。通过主控制器S7-200 PLC来调用各功能控制模块，驱动硬件机构的执行，协同配合，共同完成定量装载作业的有序进行。各控制模块功能如下：

(1)扇形门、活溜槽启停模块 为了确保井下装载作业的安全性，系统设计了闭锁功能。如扇形门和活溜槽关不到位时，胶带机、放矿机便无法运行。另外，当箕斗不到位时，扇形门和活溜槽便无法打开，以防煤炭误流出去；当箕斗到位时，溜槽起来，扇形门打开，煤就会从装载里流到箕斗里，然后，扇形门关闭，活溜槽落到位，胶带机启动，放矿机运行。在一个循环过程中也不可以二次打开扇形门和活溜槽，防止箕斗超载工作[8]。扇形门启停程序如图6所示。

图6 扇形门启停程序

(2)称重满载模块 当PLC代码接收到称重模块传来的数据值时，根据代码的逻辑执行对应的代码，并开始计时。其中，300，3000，3500分别是空设定值、满载设定值、超载设定值。如当装载仓内的煤炭重量等于满载设定重量时，放矿机停止放矿，胶带机运行5s后停止。称重满载程序如图7所示。

图7 称重满载程序

3.2 触摸屏软件设计

为了达到对矿井定量装载自动化作业各个环节的实时监测与预警，方便操作人员实时进行查看，利用RS485接口完成昆仑通泰触摸屏和西门子200的通信，获取井下定量装载设备的各种运行数据，并以“报警灯”和“数字”的形式显示出来。触摸屏主界面主要显示定量装载设备所装载煤炭的重量，液压站泵、放矿机、扇形门、活溜嘴的到位状态以及运行方式等。操作人员只需根据界面显示便可实时掌握装载设备的运行状况，并判断相应的故障，有效地保障了煤矿的安全生产。

在使用昆仑通泰公司的MCGS软件编写主界面时，首先需要安装对应的驱动，以便实现软硬件的有效连接；然后，需要建立变量表，并进行属性设置；接着，在用户窗口中设计与用户交互的主界面，添加各种功能子模块；最后，将各变量进行连接，完成与西门子S7-200的数据交互，从而实时地显示定量装载自动化作业各个环节的运行状态。

4 结束语

针对煤矿主立井装载设备存在的问题，从原有煤矿井下装载设备的基础上出发，设计了一种结构简单、可靠性较高的可控箕斗定量装载设备，利用PLC编程软件和组态软件建立井下定量装载自动作业的控制逻辑和人机交互界面，实时掌握对整个生产线上各个环节的运行状态，提高了企业在矿井自动化管理方面的水平和效率，为矿井安全生产提供了技术保障[9-10]。