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

武棟棟

（華陽一礦機電工區(qū)信息中心， 山西 陽泉 045000）

引言

帶式輸送機作為煤礦井下物料運輸?shù)闹饕b置，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、運行穩(wěn)定、自動化程度好等優(yōu)點，在煤炭行業(yè)廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著煤炭行業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級速度的提高，對帶式輸送機的自動化、智能化水平要求越來越高，與此同時，煤炭行業(yè)對帶式輸送機的節(jié)能降耗、綠色生產(chǎn)等也提出了更高的要求[4-6]。因此，針對某煤炭企業(yè)服役帶式輸送機功耗較大、控制結(jié)構(gòu)單一的情況，開展智能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究具有重要意義。

1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)組成

礦用帶式輸送機結(jié)構(gòu)組成包括機架、驅(qū)動機構(gòu)、托輥、輸送帶、制動器、清掃器、控制系統(tǒng)等。驅(qū)動機構(gòu)工作時為輸送帶旋轉(zhuǎn)提供動力，要求具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在輸送機開啟、停止及突然斷電故障時可以正常運轉(zhuǎn)。托輥的作用是降低煤料波動引起的輸送帶抖動，輸送帶與托輥摩擦使托輥與輸送帶同步運轉(zhuǎn)，完成煤炭的輸送；托輥運行靈敏與否直接關(guān)系著煤炭輸送的運行阻力。制動器主要用于驅(qū)動滾筒的降速與停止，較大輸送角度的輸送帶，制動器需要與逆止器配合使用，避免煤炭滑落。清掃器作用是清掃輸送帶殘存的煤渣，避免過多的煤渣堆積而出現(xiàn)事故。帶式輸送機在控制系統(tǒng)的指揮下完成煤炭輸送，直接關(guān)系著煤炭運輸?shù)哪芎呐c效率。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

帶式輸送機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，涉及上位機、可編程邏輯控制器、變頻器、各類數(shù)據(jù)采集器等。工作過程中，可編程邏輯控制器PLC 與上位機之間的通信由以太網(wǎng)完成，井下的集控PLC 與變頻器之間的通信采用了PROFIBUS 通信協(xié)議，驅(qū)動電機的運行控制由變頻器直接控制?？刂浦噶畹膫鬏旉P(guān)系為上位機發(fā)出控制指令至PLC，之后控制變頻器，實現(xiàn)驅(qū)動電機的運行控制。與此同時，PLC 收集傳感器等元件的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，邏輯處理之后傳輸至上位機進行實時顯示，使監(jiān)控人員能夠?qū)崟r掌握井下帶式輸送機的運行狀態(tài)。

圖1 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

3.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（PLC）首次出現(xiàn)于美國，當(dāng)時控制系統(tǒng)還被各種繼電器元件統(tǒng)治著，但是由于PLC具有較多的優(yōu)勢，如可編程性、工作可靠、較強的實用性和通信能力等，逐漸被市場認可。智能控制系統(tǒng)PLC 選擇西門子生產(chǎn)的S7-400 型PLC，節(jié)能控制關(guān)系如下頁圖2 所示。S7-400 型PLC 具有多種通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)通信處理器、 井下以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP 主站接口等進行連接，具有較快的通信速率，高達12 Mbit/s。PLC 內(nèi)部配置的CPU，具有多個MPI，能夠?qū)崿F(xiàn)與簡單控制系統(tǒng)的連接。

圖2 PLC 節(jié)能控制關(guān)系圖

3.2 井下控制分站

智能控制系統(tǒng)的井下控制分站包括操作臺、PLC控制器、安全保護系統(tǒng)等，對輸送機發(fā)出直接控制指令，采集輸送機的實時運行數(shù)據(jù)。井下控制分站硬件涉及可編程邏輯控制器、變頻器、傳感器等，關(guān)鍵部件為PLC，運行時需要其完成采集數(shù)據(jù)的運算，發(fā)出實時控制指令，其具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 中的速度、堆煤、溫度等數(shù)據(jù)采集元件獲取的實時數(shù)據(jù)經(jīng)PLC 處理之后傳輸至上位機進行實時顯示，同時，監(jiān)控人員也可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)通過上位機發(fā)出控制指令至PLC，之后傳輸至變頻器控制驅(qū)動電機，實現(xiàn)遠程控制。

圖3 井下控制分站

3.3 變頻器

智能控制系統(tǒng)中的變頻器控制由PLC 系統(tǒng)完成，通用控制方式涉及U/f 恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制，此處選擇U/f 恒定控制模式，屬于恒磁通調(diào)速。U/f 恒定控制模式下，驅(qū)動電機的電壓隨著電源頻率的變化而變化，實現(xiàn)驅(qū)動電機的速度控制。服役中的帶式輸送機包括3 臺驅(qū)動電機，基于此設(shè)計變頻器，選擇通訊方式為PROFIBUS DP 總線控制。具體控制電路如圖4 所示。

圖4 變頻器控制電路

3.4 傳感器元件

智能控制系統(tǒng)中涉及的傳感器及選擇型號如下：速度傳感器選擇型號為GSC10 礦用安全傳感器，檢測輸送帶旋轉(zhuǎn)速度；溫度傳感器選擇型號為GWD100礦用本質(zhì)安全型溫度傳感器，檢測輸送帶溫度；煙霧傳感器選擇氣敏探頭，檢測輸送帶是否起火；張力傳感器和跑偏傳感器選擇了普通拉力傳感器，檢測范圍為0～10 kN，完成傳感器元件的設(shè)計和選型之后，系統(tǒng)才具備實時采集帶式輸送機運行狀態(tài)的保障。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件和軟件兩部分，軟件設(shè)計的目的是將選好的硬件關(guān)聯(lián)起來，此智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計涉及下位機PLC 控制程序和上位機軟件設(shè)計。

4.1 下位機PLC 控制系統(tǒng)

4.1.1 主控制程序

智能控制系統(tǒng)下位機PLC 控制系統(tǒng)運行的主程序工作流程如圖5 所示，由圖5 可以看出，主程序運行依賴于PLC 軟件系統(tǒng)，首先進行數(shù)據(jù)的初始化、之后開啟自診斷保護、采集帶式輸送機狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)PLC 分析沒有問題時啟動帶式輸送機，輸送機運行時開啟輸送機速度控制功能及故障保護功能，當(dāng)檢測得到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，PLC 分析帶式輸送機是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障停機待處理，否則，帶式輸送機正常運行。

圖5 智能控制系統(tǒng)主程序流程

4.1.2 速度控制程序

系統(tǒng)速度控制的觸發(fā)信號來源于帶式輸送機輸送的煤流量，輸送機運行時，煤流量在不超限的區(qū)間不斷波動，為了避免帶式輸送機連續(xù)不斷的進行速度調(diào)控，系統(tǒng)將煤流量劃分為若干區(qū)間，為每個煤流量區(qū)間設(shè)置一個固定的速度。故而，通過速度控制程序采集煤流量實時數(shù)據(jù)，分析煤流量的區(qū)間，確定帶式輸送機的運行速度，實現(xiàn)帶式輸送機運行速度的控制。

4.2 上位機

上位機設(shè)計的目的是實時顯示帶式輸送機運行狀態(tài)參數(shù)，供監(jiān)控人員掌握帶式輸送機的運行數(shù)據(jù)，同時，監(jiān)控人員可以根據(jù)輸送機實時數(shù)據(jù)的變化，給帶式輸送機發(fā)出控制指令，實現(xiàn)遠程控制功能。智能控制系統(tǒng)上位機主界面如圖6 所示。由圖6 可以看出，主界面顯示了電機、減速機、滾筒等運行參數(shù)表，同時，顯示了井下帶式輸送機的結(jié)構(gòu)件圖，顯示了驅(qū)動電機的電壓、電流等數(shù)據(jù)；與此同時，實時顯示了各個傳感器件采集得到的參數(shù)值，包括溫度、煙霧、跑偏、撕裂等，其顯示綠色時表示正常運行，顯示紅色時表示出現(xiàn)了數(shù)據(jù)異?；蛘吖收?，顯示灰色時表示數(shù)據(jù)未進行采集。

圖6 上位機主界面

5 應(yīng)用效果評價

針對某煤炭企業(yè)服役中的帶式輸送機能耗高、控制簡單的情況，完成了智能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計。為了驗證煤礦帶式輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性，將其應(yīng)用于企業(yè)服役的帶式輸送機中進行試運行，跟蹤記錄系統(tǒng)的運行情況。結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了實時監(jiān)測和遠程控制的功能。統(tǒng)計結(jié)果顯示，應(yīng)用智能調(diào)速控制系統(tǒng)的帶式輸送機，相較于原控制系統(tǒng)時，故障停機時間降低了近13%，運行維護人員節(jié)省2～3 名，耗電量減低近10%，生產(chǎn)效率得到了明顯提升，預(yù)計為企業(yè)新增經(jīng)濟效益近80萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。