带式输送机智能联动控制系统的应用研究

朱文清

（潞安化工集团五阳煤矿，山西 长治 046200）

1 概况

煤矿主运带式输送机是煤矿物料运输的核心设备，其控制系统的控制逻辑直接决定了输送机系统运行的经济性及可靠性。五阳煤矿是一座年产能达到千万吨以上的现代化矿井，主运输送机采用了STJ1200/2×400 型，输送能力为1200 t/h，额定运行带速为4.33 m/s，驱动电机型号为YBSS-400-4，工作时的额定功率为400 kW，输送机的工作倾角在0～9°，输送带带宽为1200 mm，采用了KPZ-1200/2×200 盘式制动装置，张紧方式为尾部液压自动张紧。目前该输送机系统主要采用了定带速运行的模式，根据最大落煤量，设置输送机运行时按4.1 m/s 的带速运行。但在实际工作中由于综采效率的变化，输送机很难达到满载状态，多数情况下均处在半载情况运行，长期的高带速导致了输送机磨损加剧和输送机运行能耗居高不下，严重影响了物料运输的经济性。

为了提高五阳煤矿输送机运行经济性和可靠性，技术攻关小组提出了一种新的带式输送机智能联动控制系统，以输送机煤流监测、输送机变频调速控制及运行状态自动监测为核心[1]，对输送机运行时的状态进行动态调整，实现了带速-运量的匹配控制，有效提升了输送机系统在运行时的稳定性和经济性。

2 智能联动运行控制系统

输送机智能联动控制系统的核心是能够对各个输送带上的煤量进行自动监测，根据输送带上煤量及上下游输送机的煤量、带速情况进行自动调整，对各个输送机的运行情况进行控制，满足物料输送安全和经济性的需求。结合煤矿上输送机的布置情况，本文所提出的输送机智能联动控制系统整体结构如图1。

图1 输送机智能联动控制系统结构示意图

由图1 可知，该控制系统主要包括了地面控制部分和井下控制部分，地面控制部分主要包括了环网交换机、矿井调度中心，井下控制部分主要是各类环网交换机[2]，满足数据监测和控制需求。在每个分输送机上都设置有煤流量检测仪和带速监测仪，系统实时采集各输送机的运行状态信息，完成统一计算分析后根据运算结果，向不同输送机的PLC 控制箱输出带速调节信号，实现对输送机运行带速的灵活调整。该系统采用了模块化的设计思路，能够根据输送机的不同布置形式，灵活地调整，提高了该控制系统的应用灵活性和可靠性，能够显著地降低输送机在轻载和空载情况下的运行率，降低输送带磨损，提高使用寿命。

3 输送机煤流量监测控制

为了满足对整个输送机系统精确调整的需求，该煤流量监测控制系统需要能够精确判断输送机运行时的工作点及煤流量分布[3]情况，并通过PLC控制箱来实现基于工作点的带速调节[4]。同时，为了保证输送机系统在不同工况下运行的安全性，需要根据上游刮板输送机的出煤量及输送机上的煤量分布情况来优化输送机系统的启停时间，优化运行协同调速，减少输送机轻载和控制的运输率。输送机在运行过程中可能会出现带载启动的情况，为了提高在该工况下的运行稳定性，系统能够根据测算的输送机上的煤量分布情况，选择是顺煤流启动还是逆煤流启动。例如，当输送机为空载或者轻载状况时，输送机可按工作巷输送机-西翼大巷输送机-主斜井输送机-上仓输送机-上仓刮板输送机进行顺序启动。若主斜井输送机和上仓输送机上没有煤炭分布但巷尾的输送机有煤时，系统则首先启动工作巷的输送机，然后根据停机时煤流的位置，计算正常开机状态下煤流到达工作巷端部的时间，如果时间小于系统设定的安全时间，则可以按照主斜井-上仓输送机-上仓刮板输送机的顺序启动。输送机的煤流量监测控制逻辑流程如图2[5]。

图2 煤流量监测控制示意图

4 变频调速控制系统选型

输送机系统完成对煤流量监测和分析后，将数据传输给变频控制器，由变频器输出变频调节信号给驱动电机，实现对输送机运行带速的灵活调整，因此要求变频控制器具有较高的稳定性和调节精确性。目前常用的变频器主要有西门子的低压级联结构变频器[6]，其采用了单向导通结构，能耗低；一种是ABB 公司的ACS5000 型，采用了交流-直流-交流的模式，单管耐压达到了5000 V。

通过综合对比发现，ACS5000 型每相具有两个IGGT 功率元件，而西门子的低压级联结构变频器每相功率元件数量达到了5 个，可靠性较低，而且调节灵敏性低于ACS5000 型，最终在该输送机智能联动控制系统上选用了ACS5000 型变频器[7]。

由于输送机系统在运行中会出现过负荷的情况，因此为了提高控制安全性，变频器的输出电流需要大于输送机驱动电机的额定电流，并且要具备在2 倍额定电流工作情况下连续60 s、每隔600 s可重复一次的过载能力，提高在不同工况下启动可靠性的需求。

5 高低压配电系统选型

为了满足不同工况下控制可靠性的需求，在输送机智能调控系统中设置了10 台KYN28-12 型高压开关柜，柜子内配备了真空断路器、微机综合保护器等，同时具有高速以太网接口及闭锁装置[8]。变频器主回路的分闸指令需要由变频器发出，而不能通过输送机智能调速系统发出，避免信号受到干扰。当系统内的断路器在工作时，变频装置必须具有闭合断路器的主动控制权，在断路器内需要配备欠压脱扣线圈，若输送机出现紧急停机故障时，变频器在输出分闸节点之外还需要输出故障跳闸节点，满足变频器保护的需求。该输送机智能控制系统的高低压合分闸回路如图3[9]。

图3 高低压合分闸回路示意图

6 应用情况分析

目前该带式输送机智能联动控制系统已经在五阳煤矿进行了应用，对优化前后输送机系统的运行状况进行了对比分析，根据从2021 年6 月—2021 年12 月的数据统计，优化后输送机系统运行的平均带速由目前的4.1 m/s 降低到了2.98 m/s，平均带速降低了27.4%，输送机运行能耗平均降低了19.3%，极大地提升了五阳矿输送机系统的运输稳定性和可靠性。输送机系统监测终端如图4。

图4 五阳煤矿监测系统示意图

7 结论

为了解决五阳煤矿井下带式输送机系统不具备带速-运量匹配特性、变频调速性能差的不足，提出了一种新的带式输送机智能联动控制系统，对系统结构、控制原理、煤流量监测系统、智能变频系统选型及实际应用情况进行了分析，实际应用表明：

（1）输送机智能联动控制系统采用模块化设计思路，能够根据输送机的不同布置形式灵活调整，提高了该控制系统的应用灵活性和可靠性，能够显著地降低输送机在轻载和空载情况下的运行率；

（2）煤流量监测控制系统需要能够精确判断输送机运行时的工作点及煤流量分布情况，并通过PLC 控制箱来实现基于工作点的带速调节；

（3）ACS5000 型变频器可靠性高、能耗低；

（4）输送机智能联动控制系统能够将输送机运行的平均带速降低27.4%，将输送机运行能耗降低19.3%，极大地提升了五阳煤矿输送机系统运行的稳定性和经济性。