矿山带式输送机控制新技术研究应用

李剑峰

（兖矿集团设计研究院，山东济宁 273500）

1 引言

某矿业（集团）公司及下属各矿与有关单位共同开展了科技攻关，在矿井带式输送机的控制系统方面进行了大量的研究试验工作，并积极应用当前已有的适用新技术，取得了良好的现场使用效果，对国内同行具有相当的参考价值。

2 带式输送机集控系统保护特性与安装要求研究

矿业（集团）公司南屯煤矿对矿井带式输送机集控系统的保护特性及安装要求进行了研究和总结。

（1）煤位保护传感器。安装高度不应低于机头胶带200mm水平以下，可以保证埋机头、满仓或者满煤漏斗时煤、矸等物体触到煤位传感器垂直的万向导杆并且偏离中心线15°，经过1.8～10s延时自动切断带式输送机的电源并报警。

（2）速度保护。也叫防滑保护，传感器可以采用霍尔元件磁敏传感器和磁感应传感器。安装时传感用磁铁应放在带式输送机卸载滚筒法兰盘的偏心位置上，不能超出滚筒外延。传感接收器固定在带式输送机卸载臂框架或滚筒轴芯与磁铁相对应的支架上面。

（3）烟雾传感器。可以采用离子式烟感器，自身带有试验按钮，一般安装在驱动滚筒上方5m内的下风口无淋水处。当输送机周围有烟雾形成或可燃气体超标时，能够控制带式输送机自动停车。

（4）防跑偏传感器。采用一个万向开关，胶带跑偏时，垂直的万向导杆在胶带的推动下经过延时停车。防跑偏传感器安装在机头储带仓的中间位置和机尾两边各一组。

（5）温度传感器。采用金属导热材料。当输送机长时间运行或者双电动机运行有一个电动机出现故障时，负荷和扭矩均增大，导致设备的温度升高。一般把传感器的吸热面紧贴着电动机外壳或者在带式输送机的主滚筒设置温度传感器，随时检测滚筒的温度。

（6）张紧力下降保护装置。其作用是当输送带和驱动滚筒之间产生打滑时使输送机停止，但是由于有防滑保护起作用，故此保护也可以不安装。

（7）对个别带式输送机可以安装防撕裂保护装置和倾斜巷道上运或者下运停车防止带式输送机逆转的制动装置。在带式输送机的主滚筒设置温度传感器，随时检测滚筒的温度，同时配备自动洒水装置，在滚筒超温时实现自动洒水并且对主滚筒进行降温。

（8）沿向紧急停车保护。当沿线的某一个紧急停车开关被接通时能立即实现停车保护功能。

（9）纵向撕裂保护。当输送带撕裂时，传感器把电信号传给主机，立即实现停车保护的功能。

3 BXWⅡ控制系统在带式输送机上的应用

以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，可自诊断并且具有快开门结构，目前已经广泛地应用于煤矿井下胶带输送机的电气控制、监测和综合保护。

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-16CCLM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。FN2N-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，提高了设备的运行性能，延长了设备的使用寿命。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，方便了现场的调试工作。

（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PLC内CPU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，实现起动预告、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、电动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。

4 ControlNet在煤矿井下带式输送机监控系统的应用

矿业（集团）公司济宁三号煤矿将基于Control-Net现场总线技术的带式输送机监控系统应用于井下16采区，性能比较稳定，取得了较好的效果。此后，又把带式输送机集中控制系统接入整个信息化工程，实现整个煤矿的综合自动化。

该系统由以下五个部分组成。

（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-DNB，DecivceNet扫描模块及I／O模块对过程量以及现场的各种数据进行实时测量采集，经过1756-L55M12CPU模块综合处理以后，可以将数据传送到现场所控制的设备，完成设备的自动起停；并且由通信模块（1756-CNBR）通过ControlNet送至井下网关，从而送到地面工作站；控制屏通过Control-Net与Controllogix主控分站连接，从PLC中获取现场的设备信息，在控制屏上显示出来并且可以通过控制屏完成现场设备的控制；Controllogix主控分站通过DH+与CST软起动控制柜SLC-500之间进行通讯，获取CST软起动上的信息，在控制屏上显示出来并且可以将CST的各种状态送至地面显示。

（2）CST可控驱动装置。CST装置主要是由可控起动传输部分、冷却系统、PLC控制系统和液压控制系统4个部分组成的。其可控起动性能好，具有反馈系统，实时控制起动加速度又可以实现可控制动，使带式输送机按照预定的减速度在规定的时间内停车，调速精度高、稳定性强、可靠性高。选用CST可以降低基本胶带张力，提高传动效率，选用比较小的安全系数可以获得比较高的安全度。

（3）张紧装置。采用YZL-300型液压张紧装置，可以实现胶带起停时的自动张紧。

（4）多路组合开关。选用ZB-4X40／660矿用隔爆型组合开关为CST油泵电动机、冷却电动机和张紧绞车电动机提供电源，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。

5 煤矿采区下运式带式输送机电控系统PLC改造

矿业（集团）公司东滩煤矿针对一采区下运式带式输送机电控系统存在的问题，进行PLC程序设计改造，从根本上克服了控制继电器接点氧化和线圈老化等缺点，实现了带式输送机盘形闸电动机控制顺序切换，并且利用AD模数转换模块实现了对液压拉紧控制系统的改造，使得盘形闸的控制切换和液压压力的自动控制变成现实。

外围控制及保护装置主要包括以下部分：

（1）烟雾保护。烟雾传感器正常测量时需要直流24V电源，可编程控制器输入点与公共点之间即是24V电源，故可以直接接入。因为烟雾保护正常为常开、故障时闭合，所以为常开接点输入方式。

（2）跑偏、撕裂与堆煤保护。保护信号可以直接接入可编程控制器，即一端与公共端子COM相联结，另一端接入相应的输入点即可。机头、机尾跑偏与胶带撕裂等采用常闭接点输入方式，堆煤保护采用常开接点输入方式。

（3）速度传感器。欠速保护采用的是开关量输入，内部计数器计数，然后利用设定值与其输入值进行比较来实现。固定有永久磁铁的速度传感器放置在下胶带上，检测探头采用干簧管式联接开关，干簧管经过磁铁时每闭合和断开一次可编程控制器就对其计数。胶带额定运行速度为3.5m／s，速度传感器周长为 0.5m（平均分布 8 块磁铁），设定速度传感器每秒旋转7周，采用每秒对其进行计数。设定胶带实际运行速度降低到额定速度的80%为欠速，高于额定速度10%为超速。

（4）液压张紧。在胶带正常工作的状态下，采用液压自动张紧工作方式，将DC系列隔爆压力传感器装在液压站控制油路上，使其时刻采集液压站的油压信号，并且将此信号转换为电压信号以后传输到FX2N-2AD模数转换模块中，可编程控制器在得电的状态下，PLC时刻都能够采集到液压站的压力信号并且存储。

（5）盘形闸1#、2#电动机切换。在正常起动的过程中，由PLC输出点控制1#电动机来实现胶带闸盘抱闸、开闸控制；当1#电动机出现故障时自动切换到2#备用电动机进行盘形闸控制，并且在自动停车的工况下停机20s以后自动抱闸；出现紧停以及闸电气故障时立即停车抱闸。

6 多点驱动带式输送机联动控制的研究

随着高产高效矿井的建设，煤矿井下采区的几何尺寸也在不断地加大。矿业（集团）公司东滩煤矿采煤工作面的顺槽走向长度已经达到了2600m。与之相适应，前期综合机械化长距离掘进施工中就需要配置多点驱动带式输送机。因此，对如何合理地确定多点驱动带式输送机的联动控制和应用开展了研究。

该矿掘进工作面的多点驱动带式输送机以及相关的电控设备选型配套如下：带式输送机为SSJ800／4×40型，机头驱动部和中间驱动部各布置有2台40kW驱动电动机；拖动开关为BQD1-300／1140（660）型真空磁力起动器；通讯装置为TK100通讯控制系统，自照明信号综合保护装置引入127V工作电源，具备单起单停、顺序联动的控制功能。

从经济角度和控制可靠性两个方面综合比较后决定采用以下方案：TK100通讯控制装置安装于带式输送机的机头位置处。2台拖动开关（1台工作1台备用）安装于带式输送机机头位置，自机头引入660V电源对机头2台电动机供电；另外2台拖动开关（1台工作1台备用）安装于中间驱动部的位置，由主干线电缆的中间多通接线盒（中间驱动处）引入660V电源对中间驱动2台电动机供电。中间驱动的负载电缆不需要远距离敷设，但是控制线要远距离敷设，中间驱动的负载电缆敷设工作量小，井下投入占用的电缆费用低，经济性合理。同时，在磁力起动器的外部增加先导控制回路，采用AC127V外部电源为增设的2件AC110V继电器供电，使控制电压在继电器允许的电压波动范围内略高于其吸合电压，保证了AC110V继电器的正常工作电压，而且增加了后备起动的保证环节，提高了起动可靠程度，远控比较可靠。

在1301运输顺槽综合机械化掘进工作面投入使用以后，多点驱动胶带输送机的联动控制灵敏可靠，未出现过起停故障，成功地解决了远距离控制电压（AC18V）损失大的难题，而且中间驱动的负载电缆不需要远距离敷设，减少了井下工作量和投入费用，为多点驱动带式输送机的联动控制提供了有价值的借鉴。

7 大倾角下运带式输送机电控系统研制

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。

在自动方式下，全部过程均由控制程序完成；手动方式下，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。当出现故障时自动紧急停车，并且发出声光故障报警，待故障排除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。下运胶带输送机工作时，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，电动机在同步速度值的投入和切除，3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，均需要对电机和胶带速度进行检测。

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6项保护以外，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，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。

8 四象限变频调速装置在下运带式输送机的应用

矿业（集团）公司兴隆庄煤矿利用四象限变频控制器并且采取相关的技术手段，成功地改造了井下巷道中使用的带式输送机，解决了下行运输带式输送机所产生的负力问题。

当长距离下山的带式输送机运输采用液力耦合器装置时，在起动、运行和制动的过程中都会出现对电动机的失控状态。特别是出现事故需要紧急停车时，虽然电动机已经停止运转，但是胶带靠着自身及输送物料的重力作用仍然使带式输送机继续以比较快的速度运行，便会造成事故扩大和机头堆煤。此时虽然能够通过制动闸进行制动，但是对于机械的冲击以及磨损非常大，而且因为制动力过大不可避免地损伤胶带接头和机械设备。为此，决定将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，使带式输送机完全在变频器控制的频率及速度下运行。同时，由于变频器采用了矢量控制技术，具有比较大的起动力矩，可以保证重载起动的要求。采用液力耦合器起动装置时，负力完全是通过机械装置或者由电动机发热来消耗的，而采用变频器则是随时将产生的负力回馈到电网中去；同时，由于通过控制电动机的运行频率，系统也不可能超速，系统更加安全。

该矿西上山带式输送机的应用实践表明，此项改造解决了带式输送机运输过程中的负力问题，能量回馈电网；解决了带式输送机运行过程中的速度失控问题，实现了运行全过程的、制动和速度控制，保证了设备的正常运行；解决了机械系统及电气系统的冲击问题，延长了设备的使用寿命；顺滑的无级调速特性使得带式输送机起动以及停止过程非常平稳，减少了胶带窜动、跑偏和洒煤等现象，减轻了工人劳动强度，保障了生产正常进行。

9 PLC在煤矿带式输送机控制系统的应用

煤矿机械厂根据煤矿井下运输的实际情况，选用S7-200CPU226可编程控制器对原有的电控系统进行了自动化改造，增加了新的功能。实践表明，该系统可靠性高、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。

其功能特点主要包括以下方面。

（1）控制功能

系统设有自动／手动两种控制方式。微机控制箱上有正常起车、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，只有当故障排除以后按下故障复位按钮才能够重新起车。在自动状态下，按下电控装置的正常起车按钮，起动主电动机，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内部程序计算出带式输送机的速度和起动加速度。根据预先设定的起动加速度与实际的加速度进行比较，其差值经数据处理以后，控制步进电动机调节数字压力阀控制油压的大小，使起动加速度控制在设定值。

（2）保护功能

①沿线故障保护。为了更加及时判断和处理故障，选用了故障地址识别装置，可以将沿线闭锁开关发来的跑偏、纵撕、闭锁等故障以及故障地址、停机信号进行显示和处理，并且将信号用无电位接点的形式并行输出，供给PLC与其它的控制装置。②电动机温度保护。在主电动机的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把它换算成电动机温度，和设定温度比较，检测到电动机超温即停车，转入故障处理。③电动机电流保护。主电动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，转入故障处理。

10 下运带式输送机计算机控制系统研制

矿业（集团）公司东滩煤矿和山东科技大学研究出了带式输送机在下运情况下的计算机控制系统，并且利用可编程序控制器实现了在煤矿井下的安全运行。

起车时计算机控制系统输出直流电压使液压系统工作，若胶带上没有物料则在延时一段时间以后控制电动机送电，使主电动机转动，带动胶带运行并且送料使系统工作；若胶带上有物料则带动电动机转动，由于液压系统是一个二阶系统，当电动机转速为1490rpm时给电动机送电，使电动机工作于电动状态并且缓慢过渡到发电制动状态，这种控制方式使胶带起动运行比较平稳。停车时，如果电动机工作于发电制动状态并且转速大于1500rpm，则应当先停止给料系统使得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以后断电。

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。为了安全运行，当电动机转速在1580rpm左右时应停止给料，但是由于胶带运输系统和液压制动系统是一个比较大的惯性环节，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。胶带速度大于电动机速度出现的打滑，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以后故障消除；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转速，致使胶带系统不能有效运送物料，这时应当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。

11 新型带式输送机微机控制装置

矿业（集团）公司东滩煤矿井下3条主带式输送机是法国80年代的产品，随机配件特别是控制机的继电器到1997年已用完。当时国内尚无理想的替代产品，为此研制出了KJ2002型带式输送机微机控制装置。投入运行几年来，除个别传感器损坏外，主机基本处于免维护状态。

微机控制装置的硬件主要由主板、开关量输入输出板、频率量输入输出板、继电器板、显示板、译码驱动板组成。专用控制软件包括1个主程序和停车状态、预告状态、起动状态、运行状态、停车（急停）状态服务、根据胶带状态进入相应的服务程序、调跑偏开关检测处理、调闭锁开关检测处理、调故障检测处理、调显示处理、调键盘检测处理、调液压站检测处理12个子程序。

该装置的工作方式分为自动、手动、检修、联机（与后部带式输送机连锁控制）4种。在自动方式下控制机参与检测和控制，实现完善的控制和保护功能。传感器检测出的各种信息输入到控制机，由控制机判断并且根据司机在键盘上输入的指令控制各种设备运行。对信号的检测分开关量和频率量两种：开关量信号有跑偏、闭锁、堵煤、烟雾、超温洒水、纵向撕裂、涨紧液压站低压、涨紧液压站高压、制动闸开启行程开关、一组电机、二组电机、液压站辅助接点；频率量信号有胶带速度、电动机电流、跑偏位置及闭锁位置。控制机对磁力起动器、制动闸电动机、液压站电动机等外部设备的控制是通过接点的通断，即开关量控制来实现的。当控制机处于手动方式时，带式输送机的控制主要是通过操作台的转换开关来完成的，此时控制机起检测作用，当出现故障时只报警不停车、故障指示灯亮。

12 主煤流胶带运输地面集中控制系统

中国矿业大学和矿业（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。

经过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。

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，避免了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带式输送机的集中控制，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。

13 结论

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，研制出了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了下运带式输送机，并选用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PLC程序设计改造。实际运行情况表明，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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