矿用刮板输送设备动力部冷却水控制系统设计

张风娇， 王金平， 渠婷婷

（1.宁夏天地奔牛实业集团有限公司， 宁夏 银川 753001；2.煤矿综采输送设备智能制造技术国家地方联合工程实验室， 宁夏 石嘴山 753000）

0 引言

矿用刮板输送设备主要包括工作面刮板输送机、顺槽转载机和破碎机， 其动力部主要部件有电机和减速器等，为防止因过高温度导致主要部件故障影响正常生产，采用冷却水降温冷却处理，实现保护。

目前矿用刮板输送设备冷却保护系统现状：

整个采煤工作面设备的冷却水由人工操作泵站统一控制，刮板输送设备停机后常常冷却水依然持续打开，造成水资源的浪费。

刮板输送设备的冷却采用开放式、 直接排入工作面现场，不必要的排水会加剧工作面巷道积水，由此还能引发开采出来的煤炭含水量多，对运输、筛选等后续工序及其不利。

对冷却水控制的自动化水平低， 没有形成闭环系统控制。如果长时间的冷却水流量偏小或水压偏低，无疑会影响冷却效果， 导致动力部主要部件绝缘性能和密封性能下降，甚至有烧坏的危险。

针对驱动形式为“双速电机+弹性联轴器+减速器”刮板输送设备，设计矿用刮板输送设备动力部冷却水控制系统，（以下简称“系统”）实现刮板输送设备各动力部的冷却水回路的本地独立自动控制：刮板输送设备各动力部电机开机前冷却水自动打开，电机停机后冷却水温度降低至合适温度后，冷却水阀自动关闭。 同时整个冷却过程中对冷却水流量和压力进行实时在线检测和故障报警提示，避免冷却水供水回路故障导致冷却失效造成财产损失。

1 设计思路

设计矿用刮板输送设备动力部冷却水控制系统，由PLC 控制器、冷却水阀、冷却水流量、压力、温度传感器组成。 PLC 控制器接收到电机启动信号后，控制冷却水阀打开，实现刮板输送设备冷却水回路的自动供水。 在冷却水回路进水口加装流量传感器和压力传感器， 实现对冷却水流量和压力的监测， 并在PLC 控制器上实时显示冷却水流量和压力数值，当入水口冷却水流量和压力正常时，PLC 控制器给集控系统反馈健康信号可以开机。 当入水口冷却水流量和压力小于设定值时， 在显示屏上闪烁黄灯以报警提示工作人员检查冷却水回路是否有故障，人工检查完毕需手动复位后，PLC 控制器给集控系统反馈健康信号才可以开机。

在冷却水回路出水口安装三通，接入冷却水温度传感器实现对冷却水温度的监测。当PLC 控制器接收到电机停机信号后，先检测冷却水出水温度，至水温降至合适温度后PLC 控制器控制冷却水阀关断，实现刮板输送设备冷却水回路的自动关闭控制。

2 重点难点分析

获取各动力部电机开、停机信号，最直接简单的办法是获取控制个动力部电机启动的接触器的常开辅助触点信号，反馈到PLC 控制器上。但是控制工作面输送设备电机启停的组合开关一般布置在距离工作面几百米远处的集控中心， 如果是远距离供电的情况距离工作面可能达到上千米远。 要实现刮板输送设备各动力部的冷却水回路的本地独立自动控制， 在每个动力部就近位置布置一台PLC 控制器，获取各动力部电机开、停机信号是整个控制系统的难点。

一种思路是布置在集控中心的PLC 控制器从工作面集控读取各动力部电机的开、停机信号，通过通讯方式传输给布置在各个动力部附近的PLC 控制器。 另一种思路是在各电机接线盒中加装电流传感器， 通过识别A/B/C任意相电流判断各动力部电机开、停机状态。将这两者结合起来利用实现的效果将更好。

3 关键组成部件设计选型

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器为矿用隔爆兼本质安全型， 额定工作电压：AC127V，主要由隔爆箱体、电源模块、中央处理器、模拟量输入模块、数字量输出模块、安全隔离栅、通讯模块、操作面板、显示单元等部分组成。控制器主要元器件选型及主要功能：

CPU：西门子1212C，紧凑型CPU，AC/DC/继电器，自带8 路DI 24V DC 、6 路2A 继电器数字输出、2 路AI（0-10）VDC 模拟量输入、1 路以太网接口、最多扩展3 个通信模块； 是整个控制器的核心， 可完成系统所需的控制、检测和诊断。

通信模块：CM 1241 通信模块；用于完成系统内部的RS485 主从通讯，同时具备对外数据上传的接口及功能。

AI 模块：SM 1231 AI8 模拟量输入模块；主要完成8 通道模拟量信号的输入采集功能。

接入传感器安全隔离模块：1 个NPEXA-C4D11 电压输入安全栅，1 个NPEXA-CM3D11 电流检测端安全栅、1个NPEXA-C2D11 热电阻输入安全栅，将危险区的电压、电流、电阻信号，经隔离转换为（4-20）mA 电流信号输出给到SM 1231 AI8 模块。

显示屏幕：研华WOP-107K-NEA7 寸液晶显示屏；用于监测信息、故障报警等显示；

矩阵键盘：本安型操作面板（通信键盘）；用于显示屏幕画面切换、水阀本地操作控制等；

电源模块：SDR-120-24 为控制器内的PLC 模块及显示器等供电。

3.2 电流传感器

以400kW/3300V 刮板输送机用电机为例， 额定电流为90A。 考虑电机启动电流为额定电流的（6～8）倍，电流传感器量程为AC（0-800）A。 选用CS32-800A C5 型电流传感器，输出（0-5）V，无需外接电源。 传感器固定安装在电机防爆接线盒内， 选择电机A/B/C 任意一项动力电缆由P1→P2 方向穿过传感器，传感器与电机接线柱头部预留至少40mm 安全电气间隙。

电流传感器输出信号线经电机接线盒接线端子从喇叭嘴引出，从PLC 控制器的喇叭嘴引入后，经过NPEXAC4D11 电压输入安全栅，将危险区的电压信号，经隔离转换为 （4～20）mA 电流信号输出到PLC 控制器SM 1231 AI8 模拟量输入模块。 PLC 控制器程序根据监测到的电流判断出动力部开、停机状态。

3.3 矿用电动截止阀

选用KXB-20/24F 型矿用电动截止阀， 该阀为矿用隔爆型，由电控器和球形截止阀两部分组成，通过连接板安装在各动力部附近，安装时球形截止阀在下，电控器在上。电控器接收到PLC 控制器的控制信号后，打开球形截止阀；PLC 控制器的控制信号撤销后， 关断球形截止阀。额定工作电压：DC24V，工作电源由PLC 控制器提供。 表1 为电动截止阀对外端口定义。

3.4 矿用传感器

根据动力部冷却水压力≤3MPa 的要求，结合工况实际，选择测量范围（0～5）MPa、型号为GYD60-Y2（A）矿用本安型压力传感器，安装在每个动力部进水口，检测动力部冷却水进水压力，传感器电源电压DC24V，输出（4～20）mA 电流信号， 与PLC 控制器之间通过LCYVB4 型钢丝编织橡胶护套连接器快插连接。

根据动力部冷却水流量≥30L/min 的要求，结合工况实际，选择测量范围（0.6～10）m3/h、型号GLW15/3.6 矿用本安型流量变送器，安装在每个动力部进水口，检测动力部冷却水进水流量，传感器电源电压DC24V，输出（4～20）mA电流信号，与PLC 控制器之间通过LCYVB4 型钢丝编织橡胶护套连接器快插连接。

根据动力部冷却水出水温度≤50℃的要求， 结合工况实际，选择测量范围（0～200）℃、型号GWP200 型矿用本质安全型温度变送器，安装在每个动力部出水口，检测动力部出水冷却水温度，传感器输出PT100 电阻信号，与PLC 控制器之间通过LCYVB4 型钢丝编织橡胶护套连接器快插连接。

4 程序设计

系统采用PORTAL V15 软件编程， 对硬件地址及软件地址进行分配，对传感器采集的数据信号进行整理，通过软件编程设计得到最终程序；经离线调试符合要求后，下载到PLC 控制器的CPU 中，最后经模拟检验完全达到设计目的。 程序设计流程图如图1 所示。

图1 程序设计流程图

5 系统存在的问题

一是通过通讯方式从工作面集控读取各动力部电机的开、停机信号，很容易受到煤矿井下恶劣工况的影响，造成通讯不稳定。 二是在电机防爆接线盒内加装电流传感器，除了考虑设计改造传感器的安装固定底座，还要考虑与接线柱的安全电气间隙， 以及电流传感器信号线的安全布线等等问题。要求在电机配套设计的初期，考虑适量加大接线盒空间。

6 结束语

矿用刮板输送设备动力部冷却水控制系统实现了刮板输送设备各动力部的冷却水回路的本地独立自动控制，解决了目前矿用刮板输送设备冷却保护系统亟需解决的问题，符合煤矿数字矿山、智慧矿山、绿色矿山的理念，值得推广。目前全国各地区煤矿智能化建设、验收等相关标准已经要求刮板输送设备具备运行状态监测功能， 若矿方已配置了工况监测系统， 本系统PLC 控制器可复用矿方已配置的矿用动力部工况监测系统的PLC 控制器实现功能，一举多得。