礦井帶式輸送機節能優化與智能控制系統的設計與應用

白田紅

（山西陽城陽泰集團竹林山煤業有限公司，山西 陽城 048105）

0 引言

以往由于煤炭產業的機械化程度低，開采效率低下。在向外運輸煤炭及矸石時，多數采用短距離、低輸送量、低轉速的帶式輸送機。目前，隨著煤炭行業的高速發展，煤炭生產及運輸機械化程度顯著提高，傳統的帶式輸送機已經無法滿足煤礦生產能力。因此，多數礦井開始使用長距離、高輸送量、高轉速的帶式輸送機。

該帶式輸送機運行方式以恒速為主，無法隨著運輸量進行速度調節，輸送機在輸送較少量煤及矸石或者空載情況時，使得電機出現能量損耗高、運行效率低、設備磨損嚴重等情況。本文以長距離、高輸送量、高轉速帶式輸送機在煤礦應用中存在的缺陷為研究背景，采用計算機控制、編程、傳感和智能化控制等技術手段，設計了礦井帶式輸送機智能控制系統，經試運行，可以達到預期的節能效果。

1 帶式輸送機智能控制系統硬件設計

在設計控制系統時，能否保障控制器的硬件設計穩定可靠，直接影響著控制系統的使用性能。由于目前多數礦井生產環境惡劣，因此要求控制器的穩定性較高，同時要考慮到礦井已有控制系統是否與設計控制系統存在兼容問題，本次控制器選用西門子的S7-1214PLC型號的主控制器。硬件設計主要包括PLC控制系統設計、煤量監測設計、皮帶功率的監測設計以及傳感器與變頻器的控制設計。如圖1所示，為帶式輸送機智能控制系統硬件結構圖。

圖1 帶式輸送機智能控制系統硬件結構示意圖

由圖中可以看出，設計控制系統的核心為PLC控制器，PLC控制器通過接收上位機傳達的控制命令，再通過對變頻器的輸出進行控制，從而達到對皮帶電機的控制；速度傳感器可以實時獲取帶式輸送機的輸送速度，并向PLC控制器傳輸信息；皮帶秤的作用為實時監測皮帶煤流量，向PLC傳輸數據信息；功率采集模塊功能為采集輸送機電機及變頻器的運行狀態信息，并傳輸數據信息給PLC控制器；各項保護類傳感器可以監測皮帶是否有堆煤、跑偏或者溫度過高等現象，可以將實時的皮帶運行狀態向PLC控制器傳達。PLC控制器將上述所收集到的數據信息進行初步處理，然后上傳到上位機系統，煤礦工作人員可以通過操控上位機系統，實現對帶式輸送機運行狀態及運行參數的實時監控。

2 帶式輸送機智能控制系統軟件設計

設計一個完整的控制系統，不僅需要完成硬件的設計，還要對控制系統的軟件進行設計。軟件設計可以將相互獨立的硬件設備串聯到一起，組成一個有機的整體，從而實現控制系統的諸多功能，包括：監測目標數據信息的采集及處理，發送控制命令，保持接收數據記錄等。本次設計的帶式輸送機控制系統軟件設計主要包含有：PLC程序設計和上位機的設計。

2.1 PLC控制系統程序設計

帶式輸送機PLC控制系統程序設計主要包含啟動程序的設計、調速程序的設計以及綜合保護程序的設計。

1）啟動程序設計。變頻器的啟動方式選用“S”型，可以確保皮帶機的平穩啟動。“S”型啟動方式初始階段增速緩慢，延時10s左右后進入加速階段。當速度增加到設定數值時開始以恒速運行，并向控制器傳達皮帶機轉速信號，完成皮帶機的啟動。

2）調速程序設計。在實際的煤礦井下生產中，皮帶機運輸的煤流量是實時改變的。若設計的控制感應器過于敏銳，可能會導致皮帶機不斷的隨煤流量的不同，運行速度也不斷改變，這樣會導致皮帶運行難以穩定，產生更多能量損耗。因此，為了解決這一問題，設計調速程序時，將煤流量劃分為不同的連續的n個區間段，控制系統可以根據煤流量的區間，確定皮帶機運行速度，并傳達命令給皮帶機進行速度調節，以達到皮帶機節能的目的。當皮帶機煤流量超過其額定運載量時，控制系統將發出超限報警，自動控制皮帶機停止運輸，為輸送機調速程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 帶式輸送機調速程序設計流程圖

3）帶式輸送機綜合保護程序設計。帶式輸送機是煤礦開采中大型的高功率連續運輸設備，保障其安全可靠性對煤礦安全生產具有重要意義。本次設計帶式輸送機配備了各項綜合保護傳感器，在皮帶機實際運輸當中，若皮帶機發生故障，綜合保護傳感器可以向PLC控制系統傳達保護信號，及時控制皮帶機停止運行，保障皮帶機的安全運行。同時，不同事故會發出相應的報警信息，可以有效的進行維護修理。

2.2 上位機軟件設計

上位機在帶式輸送機智能控制系統中，通過以太網建立紐帶與PLC控制器進行連接。上位機通過可視化界面操作，向PLC控制器發送指令對帶式輸送機進行遠程控制。同時，煤礦工作人員可以通過操控上位機，實現遠程可視化監控輸送機的運行狀態及運輸參數，為上位機軟件結構圖如圖3所示，上位機軟件結構包括：操作界面顯示，系統管理設置和采集得到的數據監測、處理及記錄。

圖3 上位機軟件結構圖

3 帶式輸送機智能控制系統試運行

3.1 控制系統試運行

圖4 節能模式時主操控界面

完成帶式輸送機控制系統的軟硬件設計后，經過系統的安裝和調試。本次研究后續進行了控制系統的試運行，該智能控制系統可以根據現場實際需求切換節能運行模式和恒速運行模式。當切換到恒速運行模式下，帶式輸送機的運行速度可以根據實際運輸要求進行設定；當切換到節能模式時，帶式輸送機可以根據實際煤流量進行智能控制，將皮帶機能耗降到最低。如圖4、圖5所示，為帶式輸送機切換到節能模式時主操控界面以及控制系統運行時的趨勢曲線，由圖可知帶式輸送機智能控制系統可以直觀的觀測輸送機運行狀況及運行參數。

圖5 節能模式時控制系統運行趨勢曲線圖

3.2 節能效果分析

為了了解設計的帶式輸送機智能控制系統的節能效果，本次研究還對帶式輸送機在不同模式下運行相同時間產生的能耗進行記錄。一周內控制系統恒速運行時的耗電量統計見表1；一周內控制系統節能運行時的耗電量統計見表2。

表1 控制系統恒速運行時的耗電量

表2 控制系統節能運行時的耗電量

根據表1、表2耗電量數據，可以分布計算帶式輸送機不同模式下單位輸送量的耗電量。計算結果如下：

式中：Whs為帶式輸送機在恒速模式下運行單位輸送量耗電量，Wjn為帶式輸送機在節能模式下運行單位輸送量的耗電量。由計算結果可以看出，帶式輸送機節能模式相對恒速模式能量損耗顯著減少，減少幅度在26%左右，可以達到預期的節能效果。

4 結論

現階段煤礦使用的長距離、高輸送量、高轉速帶式輸送機多數為恒速運行，該運行方式具有能量損耗高、運行效率低、設備磨損嚴重等特點，本文以此為研究背景，進行礦井帶式輸送機智能控制系統的設計。分別對控制系統的硬件及軟件進行了設計，詳細闡述了PLC控制系統及上位機的軟件設計。控制系統設計完成后，經過系統的安裝和調試，對該系統進行了試運行，并進行了帶式輸送機在不同控制系統模式下運行產生的能耗記錄，記錄結果表明帶式輸送機節能模式相對恒速模式能量損耗顯著減少，可以達到預期的節能效果。