礦井帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化與智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

白田紅

（山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

0 引言

以往由于煤炭產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化程度低，開采效率低下。在向外運(yùn)輸煤炭及矸石時(shí)，多數(shù)采用短距離、低輸送量、低轉(zhuǎn)速的帶式輸送機(jī)。目前，隨著煤炭行業(yè)的高速發(fā)展，煤炭生產(chǎn)及運(yùn)輸機(jī)械化程度顯著提高，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)已經(jīng)無法滿足煤礦生產(chǎn)能力。因此，多數(shù)礦井開始使用長(zhǎng)距離、高輸送量、高轉(zhuǎn)速的帶式輸送機(jī)。

該帶式輸送機(jī)運(yùn)行方式以恒速為主，無法隨著運(yùn)輸量進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，輸送機(jī)在輸送較少量煤及矸石或者空載情況時(shí)，使得電機(jī)出現(xiàn)能量損耗高、運(yùn)行效率低、設(shè)備磨損嚴(yán)重等情況。本文以長(zhǎng)距離、高輸送量、高轉(zhuǎn)速帶式輸送機(jī)在煤礦應(yīng)用中存在的缺陷為研究背景，采用計(jì)算機(jī)控制、編程、傳感和智能化控制等技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了礦井帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)，經(jīng)試運(yùn)行，可以達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。

1 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，能否保障控制器的硬件設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，直接影響著控制系統(tǒng)的使用性能。由于目前多數(shù)礦井生產(chǎn)環(huán)境惡劣，因此要求控制器的穩(wěn)定性較高，同時(shí)要考慮到礦井已有控制系統(tǒng)是否與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)存在兼容問題，本次控制器選用西門子的S7-1214PLC型號(hào)的主控制器。硬件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、煤量監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、皮帶功率的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)以及傳感器與變頻器的控制設(shè)計(jì)。如圖1所示，為帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖中可以看出，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的核心為PLC控制器，PLC控制器通過接收上位機(jī)傳達(dá)的控制命令，再通過對(duì)變頻器的輸出進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)皮帶電機(jī)的控制；速度傳感器可以實(shí)時(shí)獲取帶式輸送機(jī)的輸送速度，并向PLC控制器傳輸信息；皮帶秤的作用為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶煤流量，向PLC傳輸數(shù)據(jù)信息；功率采集模塊功能為采集輸送機(jī)電機(jī)及變頻器的運(yùn)行狀態(tài)信息，并傳輸數(shù)據(jù)信息給PLC控制器；各項(xiàng)保護(hù)類傳感器可以監(jiān)測(cè)皮帶是否有堆煤、跑偏或者溫度過高等現(xiàn)象，可以將實(shí)時(shí)的皮帶運(yùn)行狀態(tài)向PLC控制器傳達(dá)。PLC控制器將上述所收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初步處理，然后上傳到上位機(jī)系統(tǒng)，煤礦工作人員可以通過操控上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，不僅需要完成硬件的設(shè)計(jì)，還要對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)可以將相互獨(dú)立的硬件設(shè)備串聯(lián)到一起，組成一個(gè)有機(jī)的整體，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的諸多功能，包括：監(jiān)測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)信息的采集及處理，發(fā)送控制命令，保持接收數(shù)據(jù)記錄等。本次設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含有：PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)的設(shè)計(jì)。

2.1 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包含啟動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、調(diào)速程序的設(shè)計(jì)以及綜合保護(hù)程序的設(shè)計(jì)。

1）啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)。變頻器的啟動(dòng)方式選用“S”型，可以確保皮帶機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)?！癝”型啟動(dòng)方式初始階段增速緩慢，延時(shí)10s左右后進(jìn)入加速階段。當(dāng)速度增加到設(shè)定數(shù)值時(shí)開始以恒速運(yùn)行，并向控制器傳達(dá)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，完成皮帶機(jī)的啟動(dòng)。

2）調(diào)速程序設(shè)計(jì)。在實(shí)際的煤礦井下生產(chǎn)中，皮帶機(jī)運(yùn)輸?shù)拿毫髁渴菍?shí)時(shí)改變的。若設(shè)計(jì)的控制感應(yīng)器過于敏銳，可能會(huì)導(dǎo)致皮帶機(jī)不斷的隨煤流量的不同，運(yùn)行速度也不斷改變，這樣會(huì)導(dǎo)致皮帶運(yùn)行難以穩(wěn)定，產(chǎn)生更多能量損耗。因此，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)調(diào)速程序時(shí)，將煤流量劃分為不同的連續(xù)的n個(gè)區(qū)間段，控制系統(tǒng)可以根據(jù)煤流量的區(qū)間，確定皮帶機(jī)運(yùn)行速度，并傳達(dá)命令給皮帶機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，以達(dá)到皮帶機(jī)節(jié)能的目的。當(dāng)皮帶機(jī)煤流量超過其額定運(yùn)載量時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出超限報(bào)警，自動(dòng)控制皮帶機(jī)停止運(yùn)輸，為輸送機(jī)調(diào)速程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 帶式輸送機(jī)調(diào)速程序設(shè)計(jì)流程圖

3）帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)程序設(shè)計(jì)。帶式輸送機(jī)是煤礦開采中大型的高功率連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，保障其安全可靠性對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。本次設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)配備了各項(xiàng)綜合保護(hù)傳感器，在皮帶機(jī)實(shí)際運(yùn)輸當(dāng)中，若皮帶機(jī)發(fā)生故障，綜合保護(hù)傳感器可以向PLC控制系統(tǒng)傳達(dá)保護(hù)信號(hào)，及時(shí)控制皮帶機(jī)停止運(yùn)行，保障皮帶機(jī)的安全運(yùn)行。同時(shí)，不同事故會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息，可以有效的進(jìn)行維護(hù)修理。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)在帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)中，通過以太網(wǎng)建立紐帶與PLC控制器進(jìn)行連接。上位機(jī)通過可視化界面操作，向PLC控制器發(fā)送指令對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，煤礦工作人員可以通過操控上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)輸參數(shù)，為上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)包括：操作界面顯示，系統(tǒng)管理設(shè)置和采集得到的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、處理及記錄。

圖3 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

3 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)試運(yùn)行

3.1 控制系統(tǒng)試運(yùn)行

圖4 節(jié)能模式時(shí)主操控界面

完成帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，經(jīng)過系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。本次研究后續(xù)進(jìn)行了控制系統(tǒng)的試運(yùn)行，該智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求切換節(jié)能運(yùn)行模式和恒速運(yùn)行模式。當(dāng)切換到恒速運(yùn)行模式下，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸要求進(jìn)行設(shè)定；當(dāng)切換到節(jié)能模式時(shí)，帶式輸送機(jī)可以根據(jù)實(shí)際煤流量進(jìn)行智能控制，將皮帶機(jī)能耗降到最低。如圖4、圖5所示，為帶式輸送機(jī)切換到節(jié)能模式時(shí)主操控界面以及控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的趨勢(shì)曲線，由圖可知帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)可以直觀的觀測(cè)輸送機(jī)運(yùn)行狀況及運(yùn)行參數(shù)。

圖5 節(jié)能模式時(shí)控制系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)曲線圖

3.2 節(jié)能效果分析

為了了解設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，本次研究還對(duì)帶式輸送機(jī)在不同模式下運(yùn)行相同時(shí)間產(chǎn)生的能耗進(jìn)行記錄。一周內(nèi)控制系統(tǒng)恒速運(yùn)行時(shí)的耗電量統(tǒng)計(jì)見表1；一周內(nèi)控制系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行時(shí)的耗電量統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 控制系統(tǒng)恒速運(yùn)行時(shí)的耗電量

表2 控制系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行時(shí)的耗電量

根據(jù)表1、表2耗電量數(shù)據(jù)，可以分布計(jì)算帶式輸送機(jī)不同模式下單位輸送量的耗電量。計(jì)算結(jié)果如下：

式中：Whs為帶式輸送機(jī)在恒速模式下運(yùn)行單位輸送量耗電量，Wjn為帶式輸送機(jī)在節(jié)能模式下運(yùn)行單位輸送量的耗電量。由計(jì)算結(jié)果可以看出，帶式輸送機(jī)節(jié)能模式相對(duì)恒速模式能量損耗顯著減少，減少幅度在26%左右，可以達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段煤礦使用的長(zhǎng)距離、高輸送量、高轉(zhuǎn)速帶式輸送機(jī)多數(shù)為恒速運(yùn)行，該運(yùn)行方式具有能量損耗高、運(yùn)行效率低、設(shè)備磨損嚴(yán)重等特點(diǎn)，本文以此為研究背景，進(jìn)行礦井帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。分別對(duì)控制系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了PLC控制系統(tǒng)及上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試運(yùn)行，并進(jìn)行了帶式輸送機(jī)在不同控制系統(tǒng)模式下運(yùn)行產(chǎn)生的能耗記錄，記錄結(jié)果表明帶式輸送機(jī)節(jié)能模式相對(duì)恒速模式能量損耗顯著減少，可以達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。