礦用帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李麗娜

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

1 概 況

帶式輸送機(jī)是煤礦開采中重要的運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)煤礦開采效率有非常重要的影響。帶式輸送機(jī)作為使用量比較多、使用時(shí)間較長(zhǎng)的機(jī)電裝備，其能耗大小會(huì)對(duì)煤礦的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大影響。目前很多煤礦中使用的帶式輸送機(jī)無法對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，以恒定速度運(yùn)行，當(dāng)輸送的煤礦物料重量發(fā)生變化時(shí)，不僅會(huì)影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，還會(huì)造成能源浪費(fèi)。基于此，結(jié)合經(jīng)坊煤業(yè)實(shí)際情況，對(duì)該礦DTL140 型帶式輸送機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，確保設(shè)備能根據(jù)輸送物料重量對(duì)其速度進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低運(yùn)行中的能源消耗。

2 制動(dòng)控制系統(tǒng)整體方案研究

2.1 帶式輸送機(jī)基本情況

經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)皮帶寬度為1.4 m，運(yùn)行時(shí)皮帶的速度為4 m/s，煤礦物料輸送速度可以達(dá)到1 800 t/h，帶式輸送機(jī)整體長(zhǎng)度為930 m，運(yùn)輸巷道的傾角為19°，同時(shí)由2 臺(tái)功率為900 kW 的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The main structure diagram of belt conveyor

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合經(jīng)坊煤業(yè)實(shí)際情況設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體方案，如圖2 所示。可以看出，為帶式輸送機(jī)中的2 部電機(jī)分別配備了變頻器，變頻器與PLC 控制器進(jìn)行連接，接受PLC 控制器下達(dá)的指令，對(duì)輸出的電壓頻率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)2 部電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的控制。變頻器與PLC 控制器之間基于Profibus 總線進(jìn)行連接。速度傳感器和轉(zhuǎn)速編碼器分別對(duì)帶式輸送機(jī)皮帶的運(yùn)行速度和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。煤量檢測(cè)裝置對(duì)輸送機(jī)裝載的煤量大小進(jìn)行檢測(cè)。傳感器和檢測(cè)裝置通過RS485實(shí)現(xiàn)與PLC 控制器的連接，將結(jié)果輸入到控制器中進(jìn)行分析。PLC 控制器與監(jiān)控主機(jī)之間基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。所有檢測(cè)和分析結(jié)果均需傳入監(jiān)控主機(jī)并存儲(chǔ)到服務(wù)器中，同時(shí)監(jiān)控屏幕會(huì)顯示帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)整體方案框圖Fig.2 Overall scheme diagram of automatic control system

2.3 系統(tǒng)的主要功能

（1） 系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備輸送的煤礦物料重量大小，對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，確保運(yùn)行速度與煤礦物料重量之間相互匹配，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低設(shè)備運(yùn)行能耗。

（2） 系統(tǒng)可以確保2 部電機(jī)之間的功率平衡，即2 部電機(jī)工作時(shí)輸出的功率保持同步，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

（3） 所有檢測(cè)和分析結(jié)果均會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，可以隨時(shí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行查詢。系統(tǒng)能夠以圖表的形式呈現(xiàn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括操作記錄、故障狀態(tài)等信息，方便技術(shù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要硬件設(shè)施選型

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的硬件設(shè)施，其性能好壞會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，結(jié)合實(shí)際情況以及以往的工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選用西門子S7-300 型PLC 控制器。該型號(hào)控制器具有無槽位約束、采用模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的礦井環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。S7-300型PLC 控制器的主要硬件模塊如圖3 所示，主要包括CPU 模塊、數(shù)字量輸入和輸出信號(hào)模塊、模擬量輸入信號(hào)模塊、以太網(wǎng)通信模塊等。

圖3 S7-300 型PLC 控制器的主要硬件模塊Fig.3 Main hardware modules of S7-300 PLC controller

CPU 模塊是PLC 控制器中最為關(guān)鍵的模塊，CPU 可以進(jìn)一步分為存儲(chǔ)器和微處理器，作用是對(duì)用戶程序以及輸入的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)并處理。此次使用的CPU 模塊型號(hào)為CPU315-2DP，具有良好的性能，響應(yīng)時(shí)間短，可靠性高，完全能夠滿足經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。控制器在輸出信號(hào)時(shí)主要以數(shù)字量模式輸出。以太網(wǎng)通信模塊可以實(shí)現(xiàn)與控制主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用電子輸送帶稱對(duì)皮帶機(jī)輸送的煤礦物料重量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用SS102K 型電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)2 部電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，采用GSD-5 型礦用速度傳感器對(duì)皮帶的運(yùn)行速度進(jìn)行檢測(cè)。以上使用的各類傳感器或檢測(cè)裝置均屬于防爆本質(zhì)安全型裝置，可以在復(fù)雜的礦井環(huán)境下工作。需要說明的是，以上檢測(cè)裝置獲得的均屬于模擬量信號(hào)，需要經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號(hào)才能夠輸入到PLC 控制器中進(jìn)行分析。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要工作流程

為確保帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中兩部電機(jī)功率平衡，根據(jù)其輸送的煤塊重量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性并降低能耗，制定了系統(tǒng)的主要工作流程圖，如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程Fig.4 Workflow of automatic control system

系統(tǒng)啟動(dòng)工作后，開始對(duì)皮帶運(yùn)行速度、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速以及皮帶輸送煤量大小進(jìn)行檢測(cè)。若輸送的煤量Q 低于設(shè)備的額定輸送容量Qe，系統(tǒng)下達(dá)控制指令，降低變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如果設(shè)備輸送的煤礦重量為額定重量，則需要對(duì)2 部電機(jī)的功率大小進(jìn)行分析，如果2 部電機(jī)之間存在功率不平衡的問題，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)功率不平衡程度下達(dá)控制指令，對(duì)2 部電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，確保電機(jī)之間的功率平衡。

5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)部署到經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中，驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行過程的可靠性和穩(wěn)定性。在實(shí)踐中對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)功能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)調(diào)整。結(jié)果表明，在整個(gè)運(yùn)行調(diào)試期間，自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程穩(wěn)定、可靠，未出現(xiàn)明顯故障問題，可以對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)化控制。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，使得帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程更加穩(wěn)定，能夠根據(jù)煤礦運(yùn)輸重量對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。初步估計(jì)認(rèn)為，其能耗大小與之前相比降低了12%左右。另外，由于設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性提升，降低了設(shè)備故障率，運(yùn)維人員數(shù)量減少了2～3 名，節(jié)省了一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本和維護(hù)人工成本，提升了運(yùn)輸效率。分析認(rèn)為，自動(dòng)控制系統(tǒng)的投入使用后，每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省100 萬元以上。

6 結(jié) 語

本文主要以經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)為對(duì)象，結(jié)合煤礦實(shí)際情況對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)可以對(duì)皮帶輸送的煤量、皮帶速度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。在PLC 控制器和變頻器的綜合作用下，根據(jù)實(shí)際輸送煤礦重量，對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和皮帶運(yùn)行速度進(jìn)行控制，保障2 部電機(jī)之間的功率平衡。將自動(dòng)控制系統(tǒng)部署到工程實(shí)踐中，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，取得良好的效果，提升了帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了電能消耗，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。