膠帶輸送機自動控制系統的設計及其應用

侯佳男

(陽泉煤業(集團)有限責任公司 一礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

煤礦開采過程中，膠帶輸送機是其中非常重要的運輸設備，采取有效措施對其進行自動化控制是提升運煤效率并降低能源消耗的重要措施和手段[1]。目前，我國很多煤礦中使用的膠帶輸送機都是以恒定的速度運行，即在整個運行過程中設備保持勻速運動，并沒有考慮到輸送物料的多少[2，3]，導致的結果是膠帶輸送機經常出現抖動和不穩定的現象，在一定程度上限制了運輸效率的穩定，同時還會造成能源浪費[4]。通過自動控制手段，確保膠帶輸送機安全、可靠、穩定運行對于整個采煤過程具有重要的實踐意義[5，6]，不僅能夠確保采煤過程的安全，還能夠顯著降低能源消耗。為此，本文設計了膠帶輸送機的自動控制系統，并將其應用到膠帶輸送機工程實踐中。

1 膠帶輸送機及自動控制系統總體結構

1.1 膠帶輸送機概況

煤礦井下工作環境復雜，通常都會通過多組膠帶輸送機完成整個煤礦物料的運輸。本文研究的膠帶輸送機型號為DTL140，皮帶寬度為1.4 m，整體長度達到了950 m，以19°傾角向上運輸煤礦物料。正常運行時皮帶的運行速度為4 m/s，每小時能夠運輸的煤礦物料達到1 800 t。共有3臺驅動電機，每臺電機的功率為900 kW，通過10 kV電壓供電,電機輸出的動力通過減速器后傳輸至膠帶輸送機的滾筒。驅動裝置通過變頻器實現電機電壓的調節，進而實現運行速度的調整。通過盤式制動器進行制動，可以確保制動過程的穩定。

1.2 自動控制系統總體結構

以膠帶輸送機為控制對象，通過設計的自動控制系統可以實現煤炭物料運輸過程的自動控制、監控以及保護。對膠帶輸送機運行狀態進行實時監測是進行自動控制的基礎。設計的膠帶輸送機自動控制系統主要由控制主站、控制冗余站、交換機、工業以太網等組成，所有通信業務全部基于光纖完成，其總體結構框圖如圖1所示。

圖1 膠帶輸送機自動控制系統總體結構框圖

1.3 自動控制系統主要功能

膠帶輸送機自動控制系統的主要功能如下：

(1) 多種控制方式。為了滿足不同工況條件，設計的自動控制系統總共有三種控制方式：遠程自動控制、遠程手動控制、就地控制。遠程自動控制是按照系統設計的程序進行控制，遠程手動控制是操作人員在終端實現控制，就地控制是在現場對輸送機進行控制。自動控制方式下系統能夠根據膠帶輸送機的運輸量對運輸速度進行調整。

(2) 故障自動診斷。自動控制系統自身的穩定運行是確保膠帶輸送機穩定運行的基礎，因此系統設計了故障自動診斷功能，能對控制系統在運行過程中的網絡故障、控制器故障、傳感器故障、信號傳輸故障等進行自動診斷。如果發現存在問題，立即發出警報提示工作人員進行處理。

(3) 膠帶輸送機保護。通過設置傳感器對膠帶輸送機的運行狀態進行監控，能夠在第一時間發現輸送機的啟動和停止狀態，皮帶跑偏、打滑、斷裂等故障，電機溫度狀態等。如果發現膠帶輸送機存在故障，視具體情況進行停機處理，從而對設備進行保護。

(4) 數據采集與顯示。通過傳感器可以采集膠帶輸送機的運行狀態數據，并通過光纖網絡傳輸至上位機顯示屏中進行展示，操作人員能非常直觀地看到輸送機的運行狀態。如果膠帶輸送機和控制系統出現故障，也會在顯示器中展示相關故障信息，操作人員根據提示能快速排除故障，盡可能降低故障造成的不良影響。

2 膠帶輸送機自動控制系統硬件選型與設計

2.1 膠帶輸送機自動控制系統硬件部分總體結構

膠帶輸送機自動控制系統硬件部分結構框圖如圖2所示。傳感器是實現自動控制的基礎，只有對膠帶輸送機運行狀態進行準確掌控，才能更好地完成自動控制工作。控制系統中涉及到的傳感器包括多種類型，如皮帶打滑、跑偏、撕裂、堆煤傳感器，速度傳感器，溫度傳感器，電流和電壓傳感器等。

圖2 膠帶輸送機自動控制系統硬件部分結構框圖

2.2 PLC控制器選型與設計

PLC控制器是整個自動控制系統的核心，其性能的好壞對控制系統的可靠穩定運行具有決定性影響，本控制系統選用的是S7-300型PLC。S7-300 PLC能適應煤礦井下復雜的工作環境，控制過程穩定，具有良好的擴展性，能為后續控制系統的拓展奠定基礎。PLC采用模塊化化設計，由不同模塊構成。其中最為重要的三個模塊分別為CPU模塊、電源模塊和I/O接口模塊，CPU模塊型號為CPU 315-2DP，I/O接口模塊型號為SM321。由于CPU模塊和I/O接口模塊的供電電流不同，分別為5A和10A，因此電源模塊需要準備兩部分，分別為上述兩個模塊提供穩定的電源，具體型號為PS307-5A和PS307-10A。

3 自動控制系統軟件程序設計

3.1 自動控制系統主程序設計

本自動控制系統采用模塊化設計，整個軟件程序由多個子程序構成，子程序之間通過主程序進行串接，從而實現膠帶輸送機自動控制系統的功能。通過STEP7編程軟件完成所有的程序設計工作，自動控制系統主程序流程如圖3所示。

圖3 自動控制系統主程序流程

3.2 自動控制系統子程序設計

3.2.1 控制方式選擇子程序

系統啟動后需要進行初始化，對自動控制系統進行自動診斷。如果系統一切正常，則啟用遠程自動控制方式；如果發現控制系統存在問題，則需要啟動遠程手動控制方式。當系統需要檢修時，則需要切換到就地控制方式，對膠帶輸送機進行全面系統的檢測。

3.2.2 啟動過程控制子程序

如果膠帶輸送機采用硬啟動方式，由于皮帶速度突然增大，會嚴重沖擊皮帶和設備。因此系統采用“S”型軟啟動方式，通過變頻啟動能夠實現膠帶輸送機的平穩啟動，降低啟動過程對皮帶以及設備造成的沖擊。

3.2.3 自動控制子程序

利用設計的監控系統可以對膠帶輸送機的運行狀態進行實時監測，基于監測結果結合設定的自動控制策略可以對膠帶輸送機的工作參數進行實時調節，確保設備始終處于最佳的工作狀態。通過傳感器可以對膠帶輸送機的煤礦物料流量以及皮帶運行速度進行檢測，如果發現兩者之間不匹配，則系統可以下達控制指令對膠帶輸送機的運行速度進行調節。另外，還會對膠帶輸送機電機工作電流和電壓進行監測，確保電流和電壓始終保持在額定范圍內，防止膠帶輸送機過載導致電機燒毀，以達到保護膠帶輸送機的目的。膠帶輸送機自動控制子程序流程如圖4所示。其中，v0為煤流量為Q時對應的輸送機理想運行速度，v為輸送機的實際運行速度，E為系統允許的誤差。

圖4 膠帶輸送機自動控制子程序流程

4 自動控制系統的應用實踐

將設計的自動控制系統應用于煤礦工程實踐中，有效提升了膠帶輸送機運行的可靠性和穩定性。

(1) 每臺設備原來需要配備1名司機和1名維護工，通過自動化系統的實施，只需要安排1名巡檢工即可，使得井下工作人員數量減少了一半。

(2) 自動控制系統能夠對膠帶輸送機的運行狀態進行實時監控，因此能夠及時發現問題并解決問題，有效地降低了膠帶輸送機的故障率。統計數據表明，自動化系統的應用能夠使膠帶輸送機的故障率降低45%以上。

(3) 傳統的膠帶輸送機都是以恒定速度為目標進行控制，設計的自動控制系統能夠根據膠帶輸送機的運載重量對輸送速度進行有效調節，通過這樣的方式能夠降低膠帶輸送機的能源消耗。未使用自動控制系統前，1臺膠帶輸送機每天需要消耗的電能為13 000度左右，通過自動化系統的實施，能夠降低電量消耗2 500度左右，電能節約幅度達到19.23%。

通過應用自動控制系統減少了井下工作人員數量、提升了設備運行的可靠性、降低了能源消耗，在確保膠帶輸送機運行安全的基礎上，可為企業創造較大的經濟效益。

5 結語

本文在分析煤礦井下膠帶輸送機實際情況的基礎上，設計研究了自動化控制系統，對系統的硬件結構和軟件程序進行了介紹。將自動控制系統應用到工程實踐中，能夠顯著提升膠帶輸送機運行的可靠性和輸送效率，為煤礦企業創造較大的經濟效益。