礦用帶式輸送機自動控制系統的應用研究

王俊峰

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 高平 048400）

引言

礦用帶式輸送機作為煤炭采掘工作過程中極為重要的輸送設備，是煤炭企業正常生產作業的重要保障[1]。控制系統作為礦用帶式輸送機重要組成部分，其控制技術的先進性直接關系著帶式輸送機的工作效率，必須引起高度重視[2]。當前服役的礦用帶式輸送機多采用的是恒轉速控制，運行過程存在皮帶轉速與運煤量不匹配問題，啟動和運轉時存在明顯的抖動情況，制約了礦用帶式輸送機效率的進一步提升[3-5]。為了解決上述礦用帶式輸送機存在的問題，以某煤礦在用礦用帶式輸送機為研究對象，開展自動控制系統的設計與應用研究，引入礦用帶式輸送機速度自動控制功能，對提高礦用帶式輸送機控制系統的可靠性、保證礦用帶式輸送機節能高效運行具有重要意義[6]。

1 帶式輸送機控制系統架構

帶式輸送機控制系統架構設計過程主要考慮了運行穩定性和可擴展性，同時兼顧了系統的環境適應性和抗干擾性，以便達到提高帶式輸送機效率的目的。如圖1 所示給出了帶式輸送機控制系統的架構，采用了PLC 作為控制系統的核心單元。

2 帶式輸送機控制系統硬件設計

2.1 PLC 選型

可編程邏輯控制器（PLC）作為帶式輸送機控制系統的核心部件，是系統實現皮帶輸送機自動控制的關鍵，此處選擇的PLC 為西門子生產的S7-300。該PLC 具有較強的邏輯分析計算能力，同時具有很好的功能模塊擴展性，可擴展出32 個模塊，很好地滿足帶式輸送機控制系統的控制功能要求。如圖2所示，給出了帶式輸送機控制系統中PLC 與各硬件之間的連接關系。

圖1 帶式輸送機控制系統架構

圖2 PLC 與各硬件之間的連接關系

2.2 高壓變頻器選型

變頻器作為實現帶式輸送機自動控制的執行元件，系統設計過程中采用了西門子生產的高壓變頻器，以便保證其質量合格和性能可靠。所選高壓變頻器結構簡單，具有較強的抗干擾性能，可以實現超長距離的控制；引入了無速度傳感器矢量控制技術，能夠實現多種啟動控制模式下的扭矩精準控制；電壓適應性強，即便電壓降低至55%，變頻器也能正常工作；變頻的效率很高，大于98.5%，變頻因數大于0.95；絕緣性能高達H 級，防護等級優于P20。變頻器質量出眾，費用較低，能夠滿足帶式輸送機自動控制系統要求。

2.3 傳感器配置

傳感器配置基于帶式輸送機自動控制系統數據采集要求及KTC101 系統完成，以便實現帶式輸送機運行過程中速度等的監測調整功能。

2.3.1 速度檢測傳感器

速度檢測傳感器能夠完成輸送機運行過程中皮帶轉速的監控，當檢測得到皮帶轉速為額定轉速的55%～70%之間，持續時間大于15 s，系統分析判斷皮帶出現了打滑情況，會發出打滑報警信號；當檢測得到皮帶的轉速為額定轉速的110%，系統分析判斷皮帶出現了過載情況，會發出過載報警信號；當檢測得到皮帶的轉速瞬間降低至額定轉速的50%時，系統分析判斷皮帶出現了斷帶情況，會發出斷帶報警信號并及時停止輸送機繼續運行，避免出現事故。

2.3.2 煤位傳感器

煤位傳感器能夠檢測帶式輸送機運輸運行過程中煤炭的位置，判斷煤炭是否出現脫離既定位置，煤位傳感器安裝于煤倉上端。當煤位傳感器檢測得到煤炭脫位，持續時間大于10 s，系統將會判斷得出煤炭脫位，會發出帶式輸送機停止運行的信號，確保其及時停機。

2.3.3 皮帶跑偏開關

皮帶跑偏作為帶式輸送機運行過程中普遍存在的問題，必須進行有效的控制才能確保其可靠工作。帶式輸送帶運行時動作桿能夠觸發傳感器，主控制器接收傳感器的跑偏信號，系統會發出跑偏報警；當皮帶運行過程出現嚴重跑偏時，系統會發出輸送機停機指令，避免出現更大的事故。皮帶跑偏開關安裝在機頭位置，兩側各安裝一個。

3 帶式輸送機控制系統軟件設計

3.1 啟動控制程序

帶式輸送機啟動之前控制系統需要檢測多種備妥信號，確定輸送機是否滿足啟動條件。當系統確定輸送機滿足啟動條件時，就會發出啟動預警信號，松開抱閘，帶式輸送機就會按照既定的啟動曲線進行加速，直至達到帶式輸送機額定轉速為止。如圖3 給出了帶式輸送機控制系統啟動流程圖。

3.2 變頻器矢量控制程序

圖3 帶式輸送機啟車控制流程

圖4 變頻器矢量控制流程

變頻器矢量控制功能的實現依托于無速度傳感器完成，達到輸送機軟啟動的目的。為了實現帶式輸送機負荷波動的有效控制，系統的矢量控制設計為主從協調控制模式，如圖4 所示。主從協調調控能夠對定子電壓矢量進行很好的調控，提高電機轉矩的工作效率。帶式輸送機運行時，主變頻器進行輸送機矢量的控制，將設置好的轉矩信號傳輸至變頻器得到統一的轉矩信號，之后傳輸至輸送機電機，實現電機恒轉矩運行。與此同時，主變頻器的另一個任務是控制和調整帶式輸送機的皮帶轉速，適應現場皮帶輸送機的負載。主變頻器正常工作時從變頻器備用，一旦輸送機運行過程中出現故障，從變頻器立刻接管主變頻器的功能，避免輸送機速度異常導致事故。

3.3 速度調節控制程序

為了提高帶式輸送機的運煤效率，控制系統設計了運轉速度調節控制程序，以便實現帶式輸送機在最佳的轉速工作，節約能源和成本。系統能夠根據輸送機上的煤炭運載量實時調整運行速度，達到低載快速、高載慢速、高電費低轉速、低電費高度等控制目的。系統能夠實時采集得到皮帶實際的運行速度和煤炭載荷，分析計算得出運行速度和煤炭載荷的最佳匹配關系。速度調節控制功能既能保證煤炭的順利輸送和效率，還能降低煤炭的運輸成本，實現帶式輸送機工作過程的智能控制。

4 應用效果評價

為了驗證帶式輸送機控制系統的設計效果，將其應用于某煤炭在用帶式輸送機，該帶式輸送機的額定電壓為10 kV，實際運載煤炭的能力為1 800 t/h。應用過程中分別采集帶式輸送機恒速運行和調速運行模式下的部分速率變化曲線和電流波動曲線，如圖5 所示。由圖5 可以看出變速控制模式下的帶式輸送機速率和電流變化趨勢相較于恒速控制模式更為平滑，整體未出現突變情況，說明帶式輸送機運行穩定可靠。

圖5 載煤量1 800 t/h 時帶式輸送機速率與電流變化曲線