皮帶運輸效率優化方案設計

喬 喆

（晉城市煤炭煤層氣工業局，山西晉城 048000）

0 引言

帶式運輸機在煤礦生產中有著不可或缺的作用。傳統井下帶式運輸機采用液力耦合器進行軟啟動，但使用效果弊大于利，存在故障率高、維修難度大、無功環流損耗、傳動效率低等問題。隨著現代變頻調速技術、智能控制技術、通信技術的發展，井下皮帶運輸系統的智能化水平也越來越高，越來越多的高新技術用于皮帶運輸系統之中，提高了皮帶運輸機的效率和安全性。本文設計了基于變頻調速技術、PLC、智能控制技術的皮帶運輸系統，結合煤礦運輸的特點，對系統的整體方案進行了優化，包括系統硬件電路設計和軟件算法設計，提高了皮帶運輸效率，降低了能源損耗，具有一定的現實意義[1]。

1 皮帶運輸效率優化概述

1.1 傳統皮帶運輸系統的不足

液力耦合器是傳統井下皮帶運輸機主要采用的機件，但是它的存在增加了空載啟動環節，會對系統內部元件造成嚴重損壞，同時對皮帶強度也有高的要求；對于井下運輸量工作量大的問題，往往需要多電機進行驅動，而液力耦合器無法解決多電機驅動轉矩不平衡問題。傳統帶式輸送機采用恒速運行，經常出現低載高速甚至空載高速運行的現象，智能化程度低，導致工作效率低，浪費大量電能[2-3]。

1.2 皮帶運輸效率優化

變頻調速技術目前已經相當成熟，用在皮帶運輸系統上具有很多優勢。該技術可以更好地實現皮帶機軟啟動，降低皮帶強度，實現多電機驅動的轉矩平衡問題；同時由于具有調速功能，基于智能控制技術，皮帶運輸系統可以根據負載的重量情況對電機的速度進行自動調節[4]。本文提出了一種皮帶運輸系統的優化方案，將變頻調速技術應用于皮帶運輸系統中，聯合傳感器技術、智能控制技術，可以更好地實現運輸系統軟啟動，根據不同的運量合理安排運輸機的帶速，同時通過監控系統和上位機軟件進行實時監控，通過這種方式可以快速實時定位故障點，提高了皮帶運輸系統的智能化程度和皮帶運輸效率。

2 系統優化方案設計

本文設計的皮帶運輸系統優化方案如圖1所示。系統中包括變頻器部分、PLC可編程邏輯控制器、電參數采集模塊、各種井下傳感器、RS485通信電路、上位機部分。其中PLC控制器的主要功能是對煤礦井下的各種實時信息進行采集，采集到的信息通過原先設計好的算法進行運算，將PLC的運算結果作為依據來控制井下設備的啟停，同時井下信息會實時傳輸給上位機，地上工作者可以對皮帶運輸系統實現實時監控。系統中的傳感器部分、電參數采集模塊用來負責檢測帶式運輸機的電壓電流參數、轉速、煤位以及井下煙霧濃度。主從變頻器用來根據實際情況或者上位機命令來調節電機轉速。

圖1 系統優化方案設計框圖

3 硬件平臺電路設計

3.1 PLC控制器選型

PLC，也稱可編程邏輯控制器，是一種新型的工業控制裝置，適用于煤礦井下各種惡劣的環境[5]。本文的系統主控制器選擇了西門子S7-200系列的PLC控制器。該產品在我國使用范圍非常廣泛，可靠性穩定，控制作用強大，數據運算處理能力強，具有多個I/O口，通信擴展能力強。PLC控制器的硬件系統需要CPU模塊、通信模塊、數字輸入量擴展模塊等支持。對于CPU模塊，本系統采用了CPU-224XP，該模塊中包含3個模擬量輸入輸出點，24個數字量輸入輸出點。對于通信模塊，系統采用了CP243-1，該通信模塊具有很強的網絡擴展能力，支持PLC多種網絡通信。對于數字量輸入擴展模塊，系統選用了西門子公司的EM221系列。

3.2 變頻控制電路設計

變頻器可以控制皮帶運輸機的電機進行智能調速，更好地實現電機軟啟動和停止，減弱對電網的沖擊，提高皮帶壽命。而且變頻器通過與PLC通訊，煤礦井下采集數據經PLC分析處理可以控制皮帶運輸機電機的頻率和電壓，繼而調節電機的轉速，使其勻速、高速、低速運行，實現智能調速和智能化運輸。

本系統的變頻器采用了AC-DC-AC交換模式，其中變頻器主電路是由整流電路、中間直流電路和逆變電路3個部分組成的。變頻器結構如圖2所示。

圖2 變頻器結構簡圖

對于變頻器變頻調速技術，變頻方式有很多，本文的AC-DC-AC型變頻器采用的調壓調頻方式為二極管整流和PWM逆變器調壓調頻方式。PWM逆變器可以輸出按正弦規律變化的電壓脈寬，通過這種方式，電機電流的波形會接近于正弦波，不但可以減弱電流諧波影響，提高功率因數，更能減小電網波形畸變。

變頻器的引入對于皮帶運輸系統效率提升是一個質的飛躍，PLC通過數據分析處理發出控制信號控制變頻器，工頻、交流輸入信號在變頻器的作用下轉換為頻率電壓可調的AC輸出信號，近而對皮帶輸送機實現智能調速。

3.3 電機轉速檢測電路

本文皮帶傳輸系統引入了變頻調速技術，因此系統電機的轉速檢測與調節尤為關鍵。目前電機轉速檢測采用測速儀，性價比低，不利于大范圍使用。在煤礦下電機轉速需要實時檢測，并且精確測量，因此采用霍爾傳感器檢測到的脈沖信號經過轉換得到電機實時轉速。在PLC定時器中將電機實測轉速n轉化為技術算法，把結果顯示在上位機監控軟件和LCD顯示屏上，聯合智能控制技術，實時調節電動機達到最佳轉速，提高工作效率。圖3所示為硬件電路圖，工作原理是：將一塊永久磁鐵附于電機軸表面，磁鐵附近固定一個霍爾傳感器，背對磁鐵。皮帶運輸機工作，電機轉軸開始轉動時，磁鐵從霍爾傳感器背面經過，脈沖信號通過放大整形電路轉換。電路圖中電阻為上拉電阻，轉軸轉動磁鐵通過時，電阻前面的引腳從0 V變為1 V，后端的三極管輸出脈沖波形，波形的頻率經過公式換算即為轉速大小。

圖3 電機轉速檢測電路

3.4 RS485通訊電路設計

在當下的煤礦井下，電參數采集模塊以及各種傳感器與PLC的通信方式采用RS485通信電路，一般都具有RS485信息接口。利用RS485通信電路，可將電參數采集模塊采集到的各種參數如電壓、電流、功率、功率因數等以及轉速、溫度、煙霧濃度等信息上傳到PLC控制器上進行分析處理。礦井下通信接口需要滿足電路本質安全，為此選用MAX1480B隔離芯片，此芯片可以有效保護采集信息單元內部電路破壞，隔離瞬時高壓。RS485通訊采用雙路差分傳輸模式，但由于差分信號M、N之間產生的反射信號會對采集數據帶來干擾，如圖4所示，本文在隔離芯片后端外接120 Ω匹配電阻，同時在接地端連接1 kΩ下拉電阻，在電源端連接1 kΩ上拉電阻，這樣可以更可靠地傳輸數據。

圖4 RS485總線電路及隔離接口

4 軟件流程設計

圖5 軟件主程序流程圖

本文所設計的優化方案采用的控制器為PLC，為減少軟件系統開發工作的時間周期，采用組態軟件進行開發工作。PLC控制系統程序設計主要包括主程序設計、軟起動控制程序設計、通信程序設計、調速子程序設計、中斷程序設計、故障程序設計等。在調速子程序中，本文采用了模糊控制智能技術，通過PLC設計相關算法，可以根據皮帶上面煤量的負重來智能調節電動機的轉速，提高皮帶運輸系統的壽命。總程序流程如圖5所示。

5 結束語

本文在分析傳統煤礦井下皮帶運輸機電氣系統不足的基礎上，針對皮帶運輸機效率低下問題，設計了一種基于可編程邏輯控制器、變頻調速技術、傳感技術和有線通信技術的井下皮帶運輸機效率優化方案，介紹了優化方案的系統整體設計及各部分關系。在系統的硬件平臺電路設計中，以PLC為主控制器，詳細介紹了變頻器的結構圖，電機轉速檢測電路設計，RS485通訊電路設計。實際運行情況證明該方案達到預期目標，效率提高，具有一定推廣意義。