一、引言

1.1 研究背景

在现代化煤矿生产中，立井煤矿通常在主井井口安装缓冲仓，用于临时存储从井下提升上来的原煤。缓冲仓下方配置给料机，通过给料机将原煤均匀地输送至带式输送机，进而完成原煤的运输过程。然而，在实际运行中，给料机的运行速度控制一直是一个技术难题。传统的控制方式往往导致两种极端情况：一是给料机运行速度过慢，造成缓冲仓频繁满仓，触发保护机制，影响正常提升作业；二是给料机运行速度过快，导致缓冲仓在箕斗放煤时处于空仓状态，造成严重的冲击和磨损问题。

1.2 问题分析

空仓落煤的危害主要体现在以下几个方面：  

1. 生产环境恶化：放煤落差大，产生大量煤尘，严重影响作业环境。  

2. 设备磨损加剧：落煤直接冲击缓冲仓壁，尤其是锥形部分，导致仓体快速磨损。  

3. 维护成本高昂：缓冲仓破损后，修复工作不仅消耗大量人力物力，而且由于井口动火作业管理严格，流程复杂，进一步增加了维护难度和成本。  

以单侯矿为例，由于减员增效，选煤厂筛分车间人员减少，主井给煤机改为无人值守模式。为了保证生产运输，给煤机长期以较高速度运行，导致缓冲仓在放煤时基本处于空仓状态，锥形体磨损严重，每年需修补一次，给生产带来了极大不便。

 1.3 研究意义

针对上述问题，本研究提出了一种基于变频器的动态平衡控制技术，通过实时监测缓冲仓煤位并动态调整给料机运行频率，将煤位控制在合理范围内。这一技术的应用，不仅能够减少设备磨损和煤尘污染，还能提高生产效率，降低维护成本，具有重要的工程实践价值。

二、关键技术

2.1 物料传感器技术

物料传感器是实现动态平衡控制的核心组件之一。在缓冲仓的中间高度位置安装开关量物料传感器，用于实时监测煤位高度。传感器的工作原理如下：  

当煤位高于传感器安装位置时，传感器输出高料位信号。  

当煤位低于传感器安装位置时，传感器输出低料位信号。  

2.2 变频控制技术

变频器是动态平衡控制的另一关键设备。通过采集缓冲仓的料位信号，对变频器进行编码控制：  

高料位时，变频器输出较高的运行频率，加快给料机运行速度，防止满仓。  

低料位时，变频器输出较低的运行频率，减缓给料机运行速度，避免空仓。

2.3 系统集成与通信

为实现传感器与变频器的协同工作，系统采用西门子PLC作为控制核心。PLC通过开关量输出信号控制变频器的启停，变频器根据开关量输入端子接受到的料位信号进行频率调节。系统框架如图1所示。

图1系统框架设计图

三、系统设计与实现

3.1系统框架设计

动态平衡控制系统分为三层：

1.检测层：开关量物料传感器，实时监测缓冲仓煤位。

2.控制层：西门子PLC控制变频器的启停，变频器根据接收到的料位信号进行频率调节。

3.执行层：给料机根据变频器指令调节运行速度，实现煤位的动态平衡。

3.2控制逻辑设计

系统的控制逻辑基于闭环反馈原理：

1.生产运输时PLC启动变频器

2.传感器检测煤位信号并传输至变频器开关量输入端子。

3.变频器根据煤位高低调节给料机电机运行频率，改变给料速度。

4.煤位变化反馈至传感器，形成闭环控制。

通过这种闭环控制，系统能够动态调整给料机速度，确保缓冲仓煤位始终处于合理范围内。

3.3硬件配置与安装

以单侯矿为例，系统硬件配置如下：

物料传感器：安装在缓冲仓中间高度（距仓底约4米处）。

变频器：ABB ACS550系列，高运行频率设为：46Hz；低运行频率设为：36Hz。

PLC：西门子300PLC，具备开关量输入和模拟量输出功能。

四、应用案例与效果分析

4.1单侯矿应用案例

单侯矿主井缓冲仓深度为8米，其中锥形体高度约3米。在未采用动态平衡控制前，缓冲仓在放煤时经常处于空仓状态，导致以下问题：

煤尘污染严重，作业环境恶劣。

锥形体磨损严重，每年需修补一次。

引入动态平衡控制系统后，通过变频器调节给料机速度，实现了以下改进：

1.煤位稳定：正常运行期间，缓冲仓煤位始终保持在锥形体以上，避免了空仓放煤。

2.减少磨损：落煤不再直接冲击仓壁，锥形体磨损显著降低。

3.改善环境：煤尘溢出量大幅减少，作业环境得到明显改善。

4.2效果分析

通过实际运行数据对比，动态平衡控制系统取得了显著成效：

1.缓冲仓磨损速度变慢，修补频率从每年一次降低至每四年一次，维护成本减少。

2.煤尘浓度降低80%，作业环境更加安全健康。

3.生产效率提升，因满仓保护导致的提升中断次数降为零。

五、结论与展望

5.1研究结论

本研究通过料位反馈闭环控制，实现了给料机的动态平衡运行，具有以下优势：

1.安全生产：避免了空仓放煤对缓冲仓的冲击，延长了设备使用寿命。

2.文明生产：显著减少了煤尘污染，改善了作业环境。

3.科学生产：通过自动化控制，提高了生产效率，降低了人工干预需求。

5.2未来展望

尽管动态平衡控制系统已取得显著成效，但仍有一些改进空间：

1.多传感器融合：未来可引入多点料位监测，提高控制的精确性。

2.智能算法应用：结合人工智能算法，实现更灵活的自适应控制。

3.远程监控：通过物联网技术，实现系统的远程监控和故障诊断。

总之，煤矿给料机动态平衡控制技术的研究与应用，为煤矿生产的智能化、高效化和绿色化提供了有力支持，具有广阔的推广前景。

参考文献：

[1]张宏伟，李志强.煤矿运输系统缓冲仓智能控制技术研究[J].煤炭科学技术，2020,48（5）：112-118

[2]刘洋.变频器在矿山给料机调速系统中的应用[J].工矿自动化，2019；45（8）：89-93

作者简介：张振华，男，河北张家口人，机电工程师，本科学历。