DTL1500型帶式輸送機節能控制系統的設計與研究

吳志輝

（余吾煤業有限責任公司機電科，山西 長治 046103）

引言

智慧型煤礦開采設備的應用是目前煤礦行業主要的發展方向，帶式輸送機作為保障煤炭資源高效生產的重要裝備，帶式輸送機的節能控制對提高設備的使用壽命具有重要意義。由于帶式輸送機長期處于恒定、高速的運行狀態下，皮帶的轉速無法根據帶式輸送機上的貨物進行適時調節，造成了較大的能源浪費，這就需要根據輸送機上的運載量的大小實時對輸送機的驅動電機輸出功率進行調節，以使輸送機處于一個比較合理的工作狀態下。

因此，通過構建一套監控系統，以明確獲取帶式輸送機的工作狀態。主要監測的數據包括帶式輸送機的運量、電機轉速、驅動電機的電信號等。此外，依靠電機上的變頻控制器可實現對帶式輸送機驅動電機轉速、輸出功率的無極化變頻調控，對提高設備的效能具有重要意義[1]。

1 帶式輸送機結構與工作原理

1.1 帶式輸送機結構

DTL1500型帶式輸送機是一種結構比較簡單、性能可靠的帶式輸送機，其主要由滾筒、皮帶、以及皮帶張緊裝置構成。DTL1500型帶式輸送機的結構分布圖如圖1所示，該型帶式輸送機的機架將滾筒固定在相應的位置上，托輥主要對皮帶起到支撐作用，卸料漏斗在輸送機的一端，將物料源源不斷地輸送到輸送機上，輸送機利用滾筒驅動皮帶，皮帶運輸物料實現對物料的輸送。該型輸送機的驅動裝置主要包括電機、減速器、制動器、逆止器、高速聯軸器以及低速聯軸器。輸送機的皮帶張緊裝置的主要作用是實現對皮帶松緊的調節[2]。

圖1 輸送機結構簡圖

1.2 工作原理

輸送機的工作原理比較簡單，主要是通過兩個端點的滾筒以及輸送帶配合完成對物料的運輸，皮帶在滾筒上形成一個封閉的環形，可以不斷地循環運行，皮帶與滾筒之間依靠摩擦力來傳遞載荷。張緊裝置的目的是為了調節皮帶與滾筒之間的接觸角度，以防止皮帶長度變化導致皮帶與滾筒之間的摩擦力減小。同時，在帶式輸送機的使用過程中，需要根據實際工作情況對輸送機進行及時地調整[3]。

2 控制系統設計目標

帶式輸送機節能控制系統主要以PLC可編程控制器為核心，系統中主要設有三臺電子皮帶秤，電子皮帶秤安裝于帶式輸送機上，主要是用于監測皮帶上煤流量。該能耗優化控制系統的設計目標如下：

1）變頻器故障檢測能力。系統對變頻器出現的各種故障能夠及時發現并報警，起到對驅動電機變頻器的保護作用，降低設備的故障風險。

2）帶式輸送機自動保護功能。帶式輸送機的控制系統具有對其常規故障實施保護的功能，如皮帶跑偏報警、驅動電機過載保護、堆煤保護等，對于一般性的帶式輸送機故障都能起到較好的保護作用。

3）具有自動調節功能。控制系統可以根據帶式輸送機的運行情況以及煤礦運輸量的大小對輸送機驅動電機進行調節，以確保輸送機的輸出功率與載荷之間存在最佳匹配關系[4]。

3 系統總體方案

該節能控制系統的總體硬件結構設計方案如下頁圖2所示，其主要結構由上位機、信號交換機、PLC控制器、各類傳感器等組成。上位機是控制系統的核心控制部分，具有顯示與分析功能，可顯示輸送機的狀態，也可對設備進行操作；上位機與控制器之間的信號通信依靠交換機實現；PLC是對系統所采集的數據進行計算與分析，并得出邏輯控制命令，從而實現帶式輸送機各項功能的控制。

圖2 節能控制系統總體結構

該型輸送機由三臺配電柜輸出660 V、50 Hz的交流電機驅動，每臺驅動電機上也配置有單獨的變頻控制器，該變頻器采用德國西門子的F5H82型變頻器，可實現過電壓、過電流等各種保護作用。每臺驅動電機有單獨的配電箱對驅動電機進行供電，PLC通過工業互聯網實現與傳感器、檢測儀以及上位機的互聯互通，從而達到對帶式輸送機節能控制[5]。

4 控制系統設計

根據節能控制系統的總體結構設計，分別對系統的硬件設計以及軟件設計做簡要介紹。帶式輸送機能耗控制系統中的核心是PLC控制器，PLC的可靠性對帶式輸送機整機設備的可靠性具有重要影響。根據系統的實際需求，選擇了西門子的SDQ570型PLC控制器，控制系統功能的設計如圖3所示，集成皮帶速度、運輸量、功率采集模塊等信息。

圖3 控制系統功能設計

4.1 控制系統硬件設計

下面對控制系統的主要硬件設備的設計、選型等做簡要介紹。

1）PLC控制。考慮到礦井工作環境惡劣，加上要實現的功能較多，因此在PLC的設計與選型過程中，利用PLC具有多點信息輸入與輸出的特點，同時處理多路信息。

2）變頻器。變頻器具有良好的調速控制能力，同時可適應井下惡劣的工作環境，具有較好的可靠性以及電控精度。

3）煤流量監測。帶式輸送機上煤炭運輸量監測主要依靠布置于輸送機上不同位置的皮帶秤來實現，電子皮帶秤具有較好的安全性與測量精度。

4）功率的監測。為了匹配帶式輸送機輸出功率與煤炭流量之間的關系，必須對驅動電機的電信號進行監測，該控制系統運行選用了EDA380M型三相異步電動機驅動系統，為了提高設備的工作效率，還增加了變頻調節器，同時節能控制系統可根據負載情況對設備進行調節[6]。

4.2 控制系統軟件設計

軟件系統是系統功能實現的基礎，由于硬件之間相互獨立，缺乏聯系與邏輯判斷，因此要想構成一個完整的智能控制系統，軟件設計必不可少。軟件的結構設計目標是實現各種控制與操作功能，軟件的具體編程依靠專業團隊完成，在此不再具體例舉。PLC控制程序是由西門子TIA Portal軟件設計的，控制系統的上位機軟件采用的是Win CC8.0編程軟件開發，Win-CC具有實時信息集成與交換的能力，可以提高可視化界面的性能，且具有強大的網絡管理功能。控制系統軟件集成了眾多的控制程序，在實際操作中可使用調取，如圖4所示為主程序控制結構圖。

圖4 主程序控制結構圖

5 系統控制功能的實現

在完成系統軟件與硬件的結構設計后，需對系統進行聯調聯試，在啟動控制系統前，需對相關設備進行整體檢查，以保證系統的安全運行。若在聯調聯試的過程中，系統中一旦有環節出現故障，應及時對故障進行排除，并修復其功能。該智能控制系統可實現人工遠程控制以及無人智能控制，每種控制方式都對應有手動、檢修和自動三種功能可選擇。一般情況下，若需要帶式輸送機停運，該控制系統可以自動切換其運行模式，保障設備有足夠的檢修時間。該控制程序的主界面如第294頁圖5所示。

圖5 上位機控制系統界面

6 結論

為提高帶式輸送機的設備效能，從帶式輸送機的驅動電機入手，成功開發出一套針對其驅動電機的控制系統，最后對該系統進行測試，測試結果顯示系統達到了設計目標，上位機的操作系統對節能控制系統起到了良好的調控作用，最終實現了帶式輸送機的智能控制，該研究對提高設備使用壽命與降低設備的能耗等具有重要意義。