刮板输送机智能控制系统的分析与应用

李 政

（晋能控股煤业集团机电管理分公司， 山西 大同 037003）

引言

根据晋能控股煤业集团智能化建设的要求，以山西大同某煤矿8633 工作面为研究对象，进行了刮板输送机智能控制系统的应用研究，以提高煤矿开采设备的智能化程度，实现节能降耗的目的。

1 刮板输送机智能控制的构建

山西大同某煤矿8633 工作面刮板输送机智能控制系统严格按照国家及行业相关标准设计制造。该系统由工控机和PLC 组件构成智能控制和基础控制的核心，双重主从控制器结构采用标准RS485 及DP-DP 工业通信方式，具备各类信号采集接口、本地和远程控制接口、运行监控显示器。

主控器通过变频器的运行数据、煤量信息等，实现对刮板输送机的智能控制，能够对刮板输送机进行启停控制、机头头尾动态功率协调控制、根据煤量信息自动调速控制，并同时与采煤机、转载机和皮带机实现双向协同控制，实时记录刮板机运行时传动部件的状态数据，显示刮板输送系统运行的实时状态信息，进行数据监控和分析，并提供故障的描述和解决方案等。刮板输送机智能控制系统的组成和布局拓扑图如图1 所示。

图1 智能控制系统的组成和布局拓扑图

2 刮板输送机智能控制系统功能和特点分析

2.1 刮板输送机智能控制系统功能分析

2.1.1 智能启动功能和智能调速功能

刮板输送机智能控制系统具有智能启动功能，启动采用分阶段控制方法，即启动之初采用预张紧控制策略，通过对机头、机尾电机的分别控制，张紧输送机底部的链条，之后机头、机尾电机才会同时启动运行。启动完成后，在设定时间内较高速运行清理浮煤，之后进入设定的低速运行状态，带载后再进行智能自动调速[1]。

刮板输送机带载后，采用多参数混合逻辑控制方式进行煤量检测与智能调速。在设备运转时可实现煤量增多时加速，煤量减少时减速，空载时低速运行的功能。通过减少回转次数，降低磨损量，可延长设备使用寿命。调速策略采用分级调速，避免因负载波动而频繁调速，控制系统综合以下多路信息，按照权重关系、优先级及影响度进行综合计算做出调速指令：

1）设置激光扫描雷达，采用激光- 时间飞行原理，非接触式检测的方式，对通过的煤量进行检测计量积算分析。

2）通过对电机输出力矩的检测，判断刮板输送机上煤量的增减。

3）根据工作面煤层的参数，结合采煤机的位置、牵引速度、截割电流等判断输送机的装载量（采煤机提供必要的信息）。

2.1.2 链条自动保护和断链监测控制

为避免停机时刮板链一直处于张紧状态，产生弹性变形，增加刮板链疲劳，设置链条自动保护模式，即停机时能自动松链，释放应力。当刮板输送机接到启动指令时，开启机尾自动伸缩装置，将刮板链张紧到合适的预紧力，进入到工作模式状态。采用电液控自动伸缩机尾，通过远程控制。控制系统具有独立的CPU，采用磁致位移传感器控制油缸行程，利用可调式节流阀保证伸缩缸动作平缓。保护系统借助自身的工业DP 总线接口，作为一个子系统分站接入到工作面成套运输设备智能集控系统中，实时监测并提取链条张紧力数据，并接受上级控制系统的运行指令。

断链监测控制由断链监测传感器和控制器组成，在靠近刮板输送机机头尾位置的偏转槽上设置安装传感器，实时探测下链道的刮板链，其信号通过监测箱传递给控制系统[2]。当检测到断链通过时，控制器向集控系统发出异常信号，进行链条预警，必要时紧急停机，作为智能刮板机子系统与集控系统一起完成链条断链的监测与保护。同时、双链断链可由电机扭矩变化直接测出，并紧急停机，如图2 所示。

图2 断链监测功能示意图

2.1.3 功率协调和双向协同作业控制

可根据刮板机的负载情况，自动分配机头和机尾的驱动功率，使机头尾电机随负载的变化准确自动平衡分配功率，重载运行时采用功率相等控制，不平衡度小于2%，防止电机出力不均造成使用寿命缩短。采用机头尾电机独立控制方式，始终保证机尾上链不过紧，减轻对槽帮上沿压力，减少对槽帮的磨损。

在刮板输送机与采煤机、转载机、皮带机等设备之间预留信息互通接口，上下级设备之间可互通信息，掌握运行工况，从而可以实现调整自身运输能力的目的，做到各级工作能力的匹配。

2.1.4 低速检修和监测与专家系统智能控制系统

在检修模式下对刮板输送机的速度按需要设置调整，并对电机输出转矩进行限制，防止故障条件下事故的扩大，最大限度地保护设备和人员。

系统具有独特的建模、强大的组态、专业的分析、丰富的界面，通过对刮板输送机的运行时间、运输距离、运输量等数据进行记录，对设备的主要参数、设备故障、运行温度及负荷等关键数据进行分析，建立完善的数据库[3]。自动生成设备运行记录、设备故障记录、开机率和负荷率记录、产量记录，多画面显示系统及设备工况，通过多周期数据积累指导设备维修，也可作为远程专家故障诊断的依据。

2.2 刮板输送机智能控制技术特点

刮板输送机智能控制系统具有轻载启停时间短、重载启停时间长等特点，描述如下：

1）启动平稳。能根据负载大小自动调整启动时长，启动时间0~1 800 s 可调；链条加速度小于0.02 m/s2。

2）满足重载启动要求，零速下转矩达2 倍额定转矩。

3）运行中链速能自动调整，根据空载、轻载和满载等输送机运量的变化，智能地调节刮板的运行速度，速度变化范围不小于30%。

4）具有机头尾电机动态功率平衡功能，不平衡度小于2%。

5）在设备长时间停机时能自动松链、释放应力，实现刮板链条的自动保护。

6）低速检修模式速度可按需要调整，并可对电机的输出转矩进行限制。

7）能够对零部件的运行状态实时进行监测、记录及分析判断。

3 刮板输送机智能故障诊断系统

从设备维护的角度来说，刮板输送机传动部的核心是减速器。研究其减速器的在线故障诊断技术可以进一步提高减速器的使用寿命和可靠性，减少煤矿井下设备的维护时间；从矿井自动化建设的方面来说，实现刮板输送机传动部的监测和在线故障诊断可为实现整机系统自动控制打下坚实的基础[4]。

3.1 故障诊断系统技术特点

刮板输送机智能成套装备在线专家故障诊断系统的技术特点：

1）采用在线铁谱监测技术对刮板机减速器润滑油油质进行实时分析监测。上位机通过以太网络控制减速器内的基于传感器的工作完成在线铁谱图像的采集，提取相对磨粒含量、相对磨损率、相对磨损烈度等参数信息，掌握油液中磨粒情况，进而对减速器润滑油油质进行实时分析监测。

2）通过理论计算和试验结合的方法获得刮板机链轮轴组和减速器在实际运行过程中振动和噪声的频谐数据库；建立刮板输送机减速器故障诊断专家系统的知识库，构建推理机制，以嵌入式系统为载体实现在线专家故障诊断功能。该技术为刮板输送机综合故障诊断及关键零部件使用寿命预估打下了基础。

3.2 刮板输送机故障诊断

故障诊断系统实现功能包括减速器润滑油中金属磨屑含量在线监测、减速器高速轴与低速轴的轴承振动监测与诊断，刮板输送机其他常规运行状态参数的监测、预警预报、查向功能、离线数据分析、数据管理、远程Web 浏览等部分[5]。

4 应用效果分析

1）刮板运输机实现了智能启动，通过分阶段控制方法有效的保障了启动的平稳性；

2）实现煤量监测与智能调速，系统可以对输送煤量的变化进行实时检测，并根据煤量的变化智能调速，节能降耗效果理想；

3）实现了各电机功率动态协调，不平衡度小于2%，防止电机出力不均造成使用寿命缩短；

4）智能故障诊断系统的应用对设备关键元部件进行实时监测、诊断和预警，降低了设备的故障率；

5）智能控制系统的应用后，降低了设备的能耗，延长了设备的使用寿命，经济社会效益显著。