帶式輸送機智能控制系統設計及其應用

張高陽

（沁水縣應急管理局，山西 沁水 048200）

帶式輸送機在運輸過程中，因生產情況變化運輸量也不斷變化，在空載情況下存在運輸效率低、能耗高以及磨損設備情況[1]，且帶式輸送機不會隨負載量自行調節運行速度，故針對帶式輸送機進行智能調速及節能優化設計具有現實意義。

1 帶式輸送機智能調速系統硬件設計及控制流程

帶式輸送機智能調速系統主要硬件包括PLC 智能控制裝置、運輸量監測裝置、電機功率監測裝置、變頻調速裝置以及各類保護傳感器[2]。其中，PLC控制器是智能調速系統中各類數據采集與處理的核心控制裝置，可以保證智能調速系統在實際應用中的穩定性，PLC 控制器選擇S7-1214PLC 型可編程邏輯控制器作主控制器。如圖1。

如圖1 所示，帶式輸送機硬件控制方式為：上位機向PLC 控制器傳達控制命令后，PLC 控制器控制變頻器進行輸出控制，由變頻器控制電動機啟動和運行。速度傳感器負責向PLC 控制器傳送帶式輸送機的運行速度監測數據，皮帶秤負責向PLC 控制器傳送運輸量監測數據，功率采集模塊負責向PLC控制器傳送帶式輸送機的電機功率以及變頻器運行狀態監測數據，各類保護傳感器負責向PLC 控制器傳送堆煤、撕裂、溫度等各項保護的監測數據。PLC 控制器作為核心處理控制器，將收集到的各項監測數據進行處理后傳達到上位機，上位機工作人員即可通過上位機可視化操控界面對帶式輸送機進行實時監控和遠程操控。

圖1 帶式輸送機智能調速系統硬件功能及控制關系示意圖

2 帶式輸送機智能調速系統軟件設計

智能調速系統軟件設計主要負責智能調速系統各硬件的連接及控制，保證逐級智能控制和功能的實現，具體包括：各項監測數據的采集、命令的發送與接收處理、異常信息的預警與控制等。

2.1 PLC 控制器程序設計

PLC 控制器的程序設計借助于西門子TIA Portal 軟件設計，按照圖1 所示需對帶式輸送機的運行速度、運輸量、電機功率、變頻器數據及各類保護裝置的監控數據進行收集和初步處理，并將初步處理的綜合數據傳送至上位機。該程序設計總體來說包含啟動、調速和保護程序三個方面的設計。

（1）啟動程序設計

為避免常規帶式輸送機恒功率啟動帶來的過大載荷及高電壓對設備的損壞[3]，確保帶式輸送機緩慢平穩啟動，啟動程序設計采用軟啟動方式進行，主要利用變頻器對帶式輸送機的驅動電機輸出功率在啟動期間按照從低到高的變頻輸出方式，使驅動電機在啟動初始階段為低功率輸出，延時3 s（可根據平均負載量等參數自行設定）后增大驅動電機的輸出功率使運轉進入加速階段，直至達到正常運行速度，并由速度傳感器將運行速度數據傳送至PLC控制器。該程序設計主要對象及內容為對變頻器在帶式輸送機啟動期間的輸出指令設計及控制。

（2）調速程序設計

為實現帶式輸送機節能高效運輸，在運行期間能夠根據運輸量自行調節運行速度，同時需防止控制器頻繁調速導致運行不穩定產生更多能耗甚至損壞設備的情況，在進行調速程序設計時，可根據實際運輸量變化情況將其劃分為多個區間，每個區間對應設置一個運行速度，由調速系統根據運輸量對應的區間給定相應運行速度，且各個區間之間相互轉換時利用變頻器實現速度的變頻調速，保證運行及轉換期間運行的穩定性。此外，還需設計在發生超載情況下的自動報警及停機程序，防止過載造成燒電機、斷帶等事故。帶式輸送機智能調速流程及控制設計如圖2。

（3）保護程序設計

帶式輸送機綜合保護程序是將堆煤、撕裂、煙霧、溫度、防滑、跑偏及急停拉繩保護傳感器的實時監測數據采集傳輸至PLC 控制器，PLC 控制器將各類保護監測數據經初步處理后傳輸至上位機，當設備發生故障時對應保護傳感器數據則會出現異常，PLC 控制器則會將收到的異常數據及時傳輸至上位機并控制帶式輸送機停止運轉，上位機收到保護程序的異常數據則會發出警報，便于及時處理，保證運行安全。

圖2 帶式輸送機智能調速流程及控制設計示意圖

2.2 上位機系統軟件設計

上位機系統軟件設計主要借助于西門子winCC7.3 編程軟件進行設計，設計的軟件結構主要有上位機可視化操控界面、管理權限設置、數據管理等[4]。PLC 控制器通過工業以太網與上位機連接，由PLC 控制器將帶式輸送機現場運行及各項保護數據經過初步處理后上傳至上位機，上位機管理人員則可通過上位機向帶式輸送機PLC 控制器發出指令，PLC 控制器接到上位機指令后，做出相應智能控制，實現上位機對現場帶式輸送機的遠程監視及操控，實現現場無人化智能管理。上位機系統軟件如圖3。

圖3 上位機系統軟件示意圖

3 帶式輸送機智能調速系統的應用

3.1 智能調速系統可視化操控

帶式輸送機智能調速系統可通過上位機觀測帶式輸送機的運行狀況及各項運行參數，并可詳細記錄帶式輸送機的運行趨勢，如圖4。在運輸過程中，可通過上位機可視化操控界面進行調速模式和恒速模式間的切換，在運輸量穩定的情況下可以設定相應區間的恒定速度，在運輸量不穩定情況下則可切換至智能調速的節能模式，以實現節能高效運輸。

3.2 智能調速系統節能效果分析

常村煤礦23 采區皮帶上山的帶式輸送機智能調速系統自2019 年2 月投入使用后，通過觀察調速節能模式狀況下的運輸能耗情況，對比恒速運行狀況下的能耗情況，分析智能調速系統的節能效果。兩種模式下一周時間內的運輸量及耗電量統計情況見表1、表2。

表1 恒速運行模式一周運輸量及耗電量統計

表2 智能調速模式運行一周運輸量及耗電量統計

根據上述兩種不同狀態下的運輸量及耗電量，分別計算恒速運行狀態（Whs）和智能調速運行狀態（Wts）下單位運輸量產生的耗電量，計算結果如下：

根據上述計算結果，恒速運行狀態下平均耗電量為3.01 kW·h/t，智能調速運行狀態下平均耗電量為2.03 kW·h/t，每噸電耗降低0.98 kW·h，智能調速運行狀態下一周內可節約電能35 427.2 kW·h，在智能調速運行狀態下耗電量降幅32.5%，實現了節能高效運輸。

4 結論

通過對常村煤礦23 采區皮帶上山帶式輸送機進行智能調速系統設計及應用后，實現了運行速度隨運輸量變化進行智能調速功能，降低能耗，耗電量相比恒速運行狀態下降幅32.5%，且避免了過載、空載運行損壞設備情況，實現了節能、高效、安全運輸。