TSD480 型帶式輸送機智能調(diào)控系統(tǒng)的研究

趙 吉

（晉能控股煤業(yè)集團野川煤礦， 山西 晉城 048000）

引言

帶式輸送機在煤礦開采中是重要的物料運輸設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好而被廣泛使用。同時由于帶式輸送機任務(wù)繁重，對電能的消耗較大，因此帶式輸送機節(jié)能技術(shù)是目前重要的研究領(lǐng)域。帶式輸送機的節(jié)能技術(shù)主要可以概括為兩個方向，一方面是引進更加高效、新穎的結(jié)構(gòu)與技術(shù)，提高設(shè)備效率，另一方面則是從驅(qū)動電機控制入手，根據(jù)輸送機實際輸送需求控制驅(qū)動電機的功率[1]。

尤其是長距離、大舉高的帶式輸送機，其對電能的消耗更高，因此驅(qū)動電機功率的控制具有重要意義。智能控制系統(tǒng)即可以根據(jù)帶式輸送機上輸送量的大小通過變頻器來控制調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的功率，控制系統(tǒng)既可以提高輸送機的利用效率，節(jié)約了電能，也可增加設(shè)備的使用壽命。基于可編程控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及PLC 控制器，設(shè)計了一套智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對帶式輸送機節(jié)能控制的目的。

1 TSD480 型帶式輸送機

TSD480 型帶式輸送機是一種大運量、輸送距離長的輸送機，主要結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動電機、皮帶、輸送機托輥、傳動滾筒、機架、皮帶張緊裝置以及皮帶清理裝置。輸送機主要依靠皮帶與滾筒之間的摩擦力進行連續(xù)運輸物體，動力由驅(qū)動電機提供，托輥為重要的支撐旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

該型帶式輸送機運量達3 000 t/h，運輸長度1 958 m，垂直提升高度為208 m；接市電并配有UPS供電系統(tǒng)；工作溫度室內(nèi)-15～45.5 ℃；驅(qū)動方式采用頭部三部變頻電機驅(qū)動的方式，功率配比為2:1；帶式輸送機冷卻系統(tǒng)包括風冷、水冷卻方式。帶式輸送機制動器為液壓卡盤式制動器，自帶電控系統(tǒng)，與智能控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)保障設(shè)備在正常停車情況下可實現(xiàn)軟制動，并且在設(shè)備突然停電時，可自動鎖緊輸送機滾筒[2]。

2 輸送機運行阻力與功耗分析

要構(gòu)建帶式輸送機工作阻力與其負載之間的關(guān)系，首先需要對設(shè)備的運行狀態(tài)以及受力進行分析。TSD480 型帶式輸送機工作結(jié)構(gòu)可以簡化為圖1，該型輸送機有兩個滾筒、三個驅(qū)動裝置。帶式輸送機在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，認為皮帶處于勻速運行，皮帶上重物沿下的分力與皮帶的總工作阻力相平衡，根據(jù)總工作阻力、皮帶的運行速度即可計算得到帶式輸送機傳動滾筒的軸端輸入功率，從而獲得驅(qū)動電機的輸出功率。

根據(jù)帶式輸送機所受力的情況，可以確定總工作阻力又可以分為主要阻力、附加阻力以及斜阻力等，下面對輸送機所受力做簡要說明。

皮帶在工作狀態(tài)中的所有主要阻力主要由兩部分組成，其一是壓陷阻力，其二是托輥阻力。壓陷阻力主要是皮帶上重物對皮帶施加的正壓力，使得皮帶與托輥之間的接觸面產(chǎn)生較大的摩擦阻力，該值的大小主要取決于皮帶上的重物。托輥運行阻力主要是當皮帶上的載荷增加時，托輥軸承所受的徑向載荷較大，從而使托輥運行的阻力加大，托輥的運行阻力與托輥的轉(zhuǎn)速以及皮帶上重物質(zhì)量密切相關(guān)[3]。

3 智能調(diào)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)圖

該帶式輸送機智能調(diào)控系統(tǒng)電氣硬件設(shè)備主要包括PLC 控制器、變頻器、高壓開關(guān)柜、低壓電源柜、輸送機保護裝置等，下面對主要的硬件設(shè)備做簡要介紹與說明。

3.1 系統(tǒng)主要硬件選型

1）高壓開關(guān)柜。根據(jù)系統(tǒng)的實際需求，選擇了富杰牌KMNA35-16 型開關(guān)式高壓開關(guān)柜，該開關(guān)柜設(shè)置了主動斷電保護、電流過載保護以及失壓保護。同時具有負載分、合隔離開關(guān)，具有防止靜電功能，具有防短路功能，具有防電擊的功能。

2）PLC 控制器。選擇了美國羅克韋爾公司生產(chǎn)的Continent500 系列可編程控制器，控制器實現(xiàn)對帶式輸送機功率的控制，采用模塊化、可擴展結(jié)構(gòu)，雙處理器設(shè)計，并可根據(jù)需要選擇處理器運行個數(shù)。

3）控制計算機。采用聯(lián)想Think pad 的XD16 型筆記本電腦，CPU 酷睿八核1.66 G，系統(tǒng)軟件Windows10 系統(tǒng)，該電腦配置有UPS 蓄電池，可保障在斷電5 h 內(nèi)正常工作。

4）輸送機保護裝置。輸送機保護裝置選擇了杭州華宇的KSTC20 保護裝置（見圖2），類似遠程監(jiān)控功能，可根據(jù)帶式輸送機各個位置上傳感器的信息進行分析判斷，起到提前預(yù)警故障的作用，對帶式輸送機具有較好的保護功能[4]。

圖2 KSTC20 保護裝置

3.2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用了先進的矢量控制變頻技術(shù)，相較于其他設(shè)備具有較好的可靠性與穩(wěn)定性，具有較強的抗過載能力，可適用于煤礦開采等環(huán)境。其最大的特征是實現(xiàn)帶式輸送機的緩啟動與停止，有效避免設(shè)備突然啟動或突然停車時帶來的沖擊，防止輸送帶上物料灑落，也可避免皮帶張力的波動對設(shè)備造成的影響。

帶式輸送機由三臺異步電機驅(qū)動，每臺電機配置有一套變頻器，變頻器控制原理圖如圖3 所示，變頻器參數(shù)為2 500 kVA，其主要工作目的是保障三臺驅(qū)動電機的輸出功率同步，同時保障帶式輸送機要具有慢停慢啟動的能力[5]。

4 智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 帶式輸送機智能控制原理

軟件是控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)其功能的載體，對于保障控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性具有重要意義。系統(tǒng)軟件設(shè)計需滿足幾大原則：1）功能齊全、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單合理；2）層次分明、操作簡單、易上手；3）易維護、方便檢測。根據(jù)項目實際需求，以及需實現(xiàn)的控制功能，控制系統(tǒng)主要包括PLC、電流/電壓互感器、變頻器、傳感器等。

系統(tǒng)中可編程控制器選擇了羅克韋爾公司Continent 系列專用的編程軟件，該編程軟件應(yīng)用范圍較廣，兼容性好。不僅可以用于可編程控制器的編程，還可用于主機簡單控制軟件的編程，控制系統(tǒng)所有對外信息的交互均可經(jīng)過編程軟件的組態(tài)和編程實現(xiàn)[6]。

5 現(xiàn)場調(diào)試及節(jié)能分析結(jié)果

在帶式輸送機智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計并搭建完成后，對系統(tǒng)的各個子硬件設(shè)備進行了聯(lián)動測試，以檢驗各子系統(tǒng)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，最后對智能控制系統(tǒng)的設(shè)計功能進行測試驗證。現(xiàn)場調(diào)試需做的準備包括分析系統(tǒng)設(shè)計的原理圖、電氣系統(tǒng)走線圖等；做好電氣接線準備，確保各個設(shè)備正常工作；確認設(shè)備狀態(tài)均正常后方可進行下一步操作，調(diào)試設(shè)備。

由于帶式輸送機相關(guān)聯(lián)的設(shè)備眾多，為了保障安全以及設(shè)備的檢修與維護，因此制定了系統(tǒng)的測試方案，其流程如下頁圖4 所示。先分別對單臺設(shè)備進行測試，然后再進行聯(lián)條聯(lián)試，通過對系統(tǒng)單機性能的的測試，逐一排查各個設(shè)備，分手動就地啟動和遠程控制啟動兩種方式對設(shè)備性能進行驗證。

各設(shè)備調(diào)試成功后，表明所有設(shè)備處于正常狀態(tài)，之后對系統(tǒng)的PLC 控制程序進行調(diào)試，對PLC控制程序的測試主要是為了監(jiān)測智能控制系統(tǒng)是否達到設(shè)計目標，測試其各項設(shè)計功能，如輸送機在啟動或停車時帶速緩降功能、根據(jù)輸送機運輸量自動調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速功能。在測試過程中應(yīng)結(jié)合輸送機的實際應(yīng)用情況，檢查各系統(tǒng)功能，對測試中發(fā)現(xiàn)的一些問題迅速進行解決，測試結(jié)果顯示輸送機智能控制系統(tǒng)達到了設(shè)計目標。

圖4 系統(tǒng)硬件調(diào)試流程圖