煤礦帶式輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張 帆

（山西省太原市萬柏林區(qū)西山高級技工學(xué)校，山西 太原 030053）

引言

帶式輸送機作為煤炭物料裝載運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在煤炭物料運輸方面起到了重要的作用。在智能化發(fā)展時代，有必要在帶式輸送機智能控制方面取得進步。通過智能化技術(shù)的作用，降低帶式輸送機的運行能耗，同時使得帶式輸送機的皮帶運行速度能夠在經(jīng)濟運輸?shù)暮侠韰^(qū)間內(nèi)，使速度與煤炭裝載量達到平衡狀態(tài)。目前，帶式輸送機等大型設(shè)備在開采過程中總耗電量最高可占到80%[1-2]，在降低電能消耗方面有較大的進步空間。通過對帶式輸送機在滿載、輕載、空載三個不同裝載狀態(tài)下的能源損耗問題進行研究，使皮帶的轉(zhuǎn)動速度能夠在不同裝載條件下保持在合理的速度區(qū)間內(nèi)。通過帶式輸送機的智能調(diào)速系統(tǒng)對速度實現(xiàn)實時的調(diào)節(jié)，使帶式輸送機達到綠色節(jié)能減排的目的。研究成果為煤礦企業(yè)對于綠色節(jié)能技術(shù)的研發(fā)提供了依據(jù)。

1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)

常規(guī)的礦井帶式輸送機主要由機架、皮帶、驅(qū)動裝置、托輥等部件組成。以常用的DTL180/4-2240型帶式輸送機為研究對象，該型號輸送機能夠?qū)崿F(xiàn)超長距離和大功率的裝載輸送，并且采用的是雙滾筒結(jié)合三個電機驅(qū)動的先進帶式輸送機[3]。在工程應(yīng)用中能夠很好地適應(yīng)礦井內(nèi)惡劣的工作環(huán)境，并且可拓展性和移動性較好，能夠根據(jù)工作面的轉(zhuǎn)移展現(xiàn)出高性能的機動性，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 帶式輸送機運行阻力分析

帶式輸送機在運行的過程中，電機的輸出動力和運行所受到的阻力形成了一對相互作用體系。由于帶式輸送機的零部件較多，各個零部件之間都有可能在運行過程中產(chǎn)生相反作用力的特殊阻力。DTL180/4-2240型帶式輸送機主要阻力包括物料加速產(chǎn)生的阻力、滾筒阻力、清掃器阻力、皮帶壓陷阻力、物料彎曲阻力等主要的主力類型。在不同的運行狀態(tài)下，所產(chǎn)生的阻力類型各不相同。同時，產(chǎn)生阻力的摩擦系數(shù)會根據(jù)設(shè)備的運行狀態(tài)而發(fā)生變化。通常帶式輸送機處于良好工況狀態(tài)時，摩擦系數(shù)最小。隨著開采過程的深入，摩擦系數(shù)將逐漸增大，影響到了電機的輸出功率。因此可通過減小阻力的方式來實現(xiàn)降低能耗的作用，在設(shè)計智能調(diào)速控制系統(tǒng)時也將該優(yōu)勢考慮在內(nèi)。

3 智能控制方法的研究

3.1 煤流量監(jiān)測設(shè)計

為了實現(xiàn)煤流量與皮帶運轉(zhuǎn)速度相統(tǒng)一，設(shè)計出精確的測量工具是關(guān)鍵。在帶式輸送機的底部安裝電子皮帶秤，通過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以發(fā)射γ射線的方式對皮帶上的煤炭在單位內(nèi)的重量進行精確測算[4]。測量出的煤炭重量數(shù)據(jù)通過積算器被發(fā)射至PLC進行核心處理，并且能夠在后臺的顯示器上輸出關(guān)鍵的參數(shù)信息。

3.2 皮帶速度與煤流量匹配分析

由于礦井開采機械產(chǎn)生的煤炭物料質(zhì)量不會始終保持統(tǒng)一的穩(wěn)定狀態(tài)。但是輸送機的運煤量會出現(xiàn)輕載、重載等交替運輸情況。智能調(diào)速系統(tǒng)是為了更好地將皮帶速度與煤流量進行匹配，達到最優(yōu)的平衡輸送關(guān)系。通常來說，當煤炭的運載量提高時，皮帶的轉(zhuǎn)速就越快，反之就越慢，煤流量與帶速、功率的關(guān)系示意圖如圖2所示，其中Q為煤流量、V為帶速、P為功率。由此可以看出煤流量和帶速對輸送機的功率影響較大，當帶速保持恒定的時候，不利于充分輸出電機功率。

圖2 煤流量、帶速、功率之間的相互關(guān)系

3.3 電機功率平衡策略分析

影響到帶式輸送機驅(qū)動電機功率的因素很多，不僅包括機械本身的因素，也關(guān)系到人為因素的影響。主要是由于在生產(chǎn)或安裝過程中所造成的差異性機械特性，可從多個電機功率驅(qū)動在不平衡狀態(tài)下的機械特性作為研究突破口，結(jié)合帶速與煤流量的線性比例關(guān)系，提出功率平衡的策略。

帶式輸送機運行能力來源主要通過電流輸入的電能，因此以電流作為控制策略的核心依據(jù)。電流實現(xiàn)電機功率平衡的策略主要包括均值、差值、分組、組從等4種控制方案[5]。由于帶式輸送機通常采用多臺電機聯(lián)合驅(qū)動，因此電流的主從控制方案更適合作為智能調(diào)速方案的形式。通過對帶式輸送機速度PI、壓力PI的控制，實現(xiàn)了主從控制電機的相互獨立，互不產(chǎn)生干擾影響，但是當主電機的電流信號發(fā)生變化時，各從屬電機電流數(shù)值也會產(chǎn)生同比例的增長和減小，具體控制流程圖如圖3所示。

圖3 主從控制方案原理示意圖

4 智能調(diào)速控制方案的設(shè)計

4.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

DTL180/4-2240型帶式輸送機的智能調(diào)速控制系統(tǒng)主要由上位機、PLC、傳感器、變頻器等重要電器部件組成。通過PROFIBUS通信協(xié)議實現(xiàn)整體系統(tǒng)的全域通訊[6]，由PLC發(fā)送控制命令，將采集到的數(shù)據(jù)通過調(diào)度室自動反饋模塊判斷識別后傳輸至上位機系統(tǒng)，帶式輸送機在礦井內(nèi)的狀態(tài)將得到實時監(jiān)控，如圖4所示。

圖4 智能調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 硬件選型設(shè)計

采用西門子S7-400型PLC為核心組建的輸送機系統(tǒng)。S7-400系列PLC的電源模板通過背板總線向機架上其他模塊提供工作電壓，但是不給信號模塊提供負載電壓。CPU417-4上集成了MPI和PROFIBUS DP接口。其中，PROFIBUS DP接口可連接分布式I/O，最多可連接32個DP從站。同時根據(jù)井上、井下、檢修、復(fù)位等工序分配I/O地址，采用計數(shù)器模塊、溫度控制器模塊、位置解碼器模塊、凸輪控制器模塊等實現(xiàn)變頻控制。將測試皮帶速度的傳感器設(shè)置為4個擋位，每個擋位測量的限度值分別為1.7 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s，工作電壓為DC 12~24 V、工作電流為5 mA。最后將傳感器布置到帶式輸送機合理的檢測位置上，實現(xiàn)PLC控制器的集中處理，達到數(shù)據(jù)采集的功能效果。

4.3 軟件設(shè)計

通過IFIX組態(tài)軟件編譯，完成帶式輸送機智能調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面設(shè)計。其中，通過I/O模塊設(shè)計實現(xiàn)井下實時數(shù)據(jù)采集的功能，并通過生產(chǎn)過程界面可視化、實時監(jiān)控、預(yù)警等模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的功能。系統(tǒng)管理包括權(quán)限管理和人員管理。監(jiān)控界面操作是將各帶式輸送機的運行狀態(tài)顯示在界面上，方便工作人員進行簡單的操作以及對突發(fā)情況采取及時的應(yīng)對措施。同時皮帶的運轉(zhuǎn)速度也將根據(jù)皮帶單位質(zhì)量內(nèi)的煤炭運輸質(zhì)量而發(fā)生同步的調(diào)節(jié)，各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)在監(jiān)控系統(tǒng)界面實現(xiàn)了清晰明了的呈現(xiàn)，如下頁圖5所示。

圖5 DTL180/4-2240型帶式輸送機設(shè)備監(jiān)控界面

5 結(jié)語

本文研究智能調(diào)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了帶式輸送機皮帶速度與煤炭運輸質(zhì)量相匹配的調(diào)節(jié)平衡功能，最大化地發(fā)揮出了帶式輸送機電機驅(qū)動的功率，提高了運輸效率并且實現(xiàn)了帶式輸送機的綠色節(jié)能減排。同時，將帶式輸送機的關(guān)鍵運行參數(shù)實現(xiàn)了統(tǒng)一的監(jiān)測反饋，提升了礦井智能化安全化的管理水平。