煤礦帶式輸送機智能調速控制系統設計與應用研究

武棟棟

（華陽一礦機電工區信息中心， 山西 陽泉 045000）

引言

帶式輸送機作為煤礦井下物料運輸的主要裝置，具有結構簡單可靠、運行穩定、自動化程度好等優點，在煤炭行業廣泛應用[1-3]。隨著煤炭行業生產結構轉型升級速度的提高，對帶式輸送機的自動化、智能化水平要求越來越高，與此同時，煤炭行業對帶式輸送機的節能降耗、綠色生產等也提出了更高的要求[4-6]。因此，針對某煤炭企業服役帶式輸送機功耗較大、控制結構單一的情況，開展智能調速控制系統設計與應用研究具有重要意義。

1 帶式輸送機結構組成

礦用帶式輸送機結構組成包括機架、驅動機構、托輥、輸送帶、制動器、清掃器、控制系統等。驅動機構工作時為輸送帶旋轉提供動力，要求具有很好的環境適應性，能夠在輸送機開啟、停止及突然斷電故障時可以正常運轉。托輥的作用是降低煤料波動引起的輸送帶抖動，輸送帶與托輥摩擦使托輥與輸送帶同步運轉，完成煤炭的輸送；托輥運行靈敏與否直接關系著煤炭輸送的運行阻力。制動器主要用于驅動滾筒的降速與停止，較大輸送角度的輸送帶，制動器需要與逆止器配合使用，避免煤炭滑落。清掃器作用是清掃輸送帶殘存的煤渣，避免過多的煤渣堆積而出現事故。帶式輸送機在控制系統的指揮下完成煤炭輸送，直接關系著煤炭運輸的能耗與效率。

2 控制系統結構設計

帶式輸送機智能控制系統結構如圖1 所示，涉及上位機、可編程邏輯控制器、變頻器、各類數據采集器等。工作過程中，可編程邏輯控制器PLC 與上位機之間的通信由以太網完成，井下的集控PLC 與變頻器之間的通信采用了PROFIBUS 通信協議，驅動電機的運行控制由變頻器直接控制。控制指令的傳輸關系為上位機發出控制指令至PLC，之后控制變頻器，實現驅動電機的運行控制。與此同時，PLC 收集傳感器等元件的實時監測數據，邏輯處理之后傳輸至上位機進行實時顯示，使監控人員能夠實時掌握井下帶式輸送機的運行狀態。

圖1 智能控制系統結構組成

3 系統主要硬件設計

3.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（PLC）首次出現于美國，當時控制系統還被各種繼電器元件統治著，但是由于PLC具有較多的優勢，如可編程性、工作可靠、較強的實用性和通信能力等，逐漸被市場認可。智能控制系統PLC 選擇西門子生產的S7-400 型PLC，節能控制關系如下頁圖2 所示。S7-400 型PLC 具有多種通信接口，能夠實現通信處理器、 井下以太網、PROFIBUS-DP 主站接口等進行連接，具有較快的通信速率，高達12 Mbit/s。PLC 內部配置的CPU，具有多個MPI，能夠實現與簡單控制系統的連接。

圖2 PLC 節能控制關系圖

3.2 井下控制分站

智能控制系統的井下控制分站包括操作臺、PLC控制器、安全保護系統等，對輸送機發出直接控制指令，采集輸送機的實時運行數據。井下控制分站硬件涉及可編程邏輯控制器、變頻器、傳感器等，關鍵部件為PLC，運行時需要其完成采集數據的運算，發出實時控制指令，其具體的硬件結構如圖3 所示。圖3 中的速度、堆煤、溫度等數據采集元件獲取的實時數據經PLC 處理之后傳輸至上位機進行實時顯示，同時，監控人員也可以根據實時數據通過上位機發出控制指令至PLC，之后傳輸至變頻器控制驅動電機，實現遠程控制。

圖3 井下控制分站

3.3 變頻器

智能控制系統中的變頻器控制由PLC 系統完成，通用控制方式涉及U/f 恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制，此處選擇U/f 恒定控制模式，屬于恒磁通調速。U/f 恒定控制模式下，驅動電機的電壓隨著電源頻率的變化而變化，實現驅動電機的速度控制。服役中的帶式輸送機包括3 臺驅動電機，基于此設計變頻器，選擇通訊方式為PROFIBUS DP 總線控制。具體控制電路如圖4 所示。

圖4 變頻器控制電路

3.4 傳感器元件

智能控制系統中涉及的傳感器及選擇型號如下：速度傳感器選擇型號為GSC10 礦用安全傳感器，檢測輸送帶旋轉速度；溫度傳感器選擇型號為GWD100礦用本質安全型溫度傳感器，檢測輸送帶溫度；煙霧傳感器選擇氣敏探頭，檢測輸送帶是否起火；張力傳感器和跑偏傳感器選擇了普通拉力傳感器，檢測范圍為0～10 kN，完成傳感器元件的設計和選型之后，系統才具備實時采集帶式輸送機運行狀態的保障。

4 系統軟件設計

智能控制系統設計包括硬件和軟件兩部分，軟件設計的目的是將選好的硬件關聯起來，此智能控制系統軟件設計涉及下位機PLC 控制程序和上位機軟件設計。

4.1 下位機PLC 控制系統

4.1.1 主控制程序

智能控制系統下位機PLC 控制系統運行的主程序工作流程如圖5 所示，由圖5 可以看出，主程序運行依賴于PLC 軟件系統，首先進行數據的初始化、之后開啟自診斷保護、采集帶式輸送機狀態數據，經PLC 分析沒有問題時啟動帶式輸送機，輸送機運行時開啟輸送機速度控制功能及故障保護功能，當檢測得到的數據出現異常時，PLC 分析帶式輸送機是否出現故障，如果出現故障停機待處理，否則，帶式輸送機正常運行。

圖5 智能控制系統主程序流程

4.1.2 速度控制程序

系統速度控制的觸發信號來源于帶式輸送機輸送的煤流量，輸送機運行時，煤流量在不超限的區間不斷波動，為了避免帶式輸送機連續不斷的進行速度調控，系統將煤流量劃分為若干區間，為每個煤流量區間設置一個固定的速度。故而，通過速度控制程序采集煤流量實時數據，分析煤流量的區間，確定帶式輸送機的運行速度，實現帶式輸送機運行速度的控制。

4.2 上位機

上位機設計的目的是實時顯示帶式輸送機運行狀態參數，供監控人員掌握帶式輸送機的運行數據，同時，監控人員可以根據輸送機實時數據的變化，給帶式輸送機發出控制指令，實現遠程控制功能。智能控制系統上位機主界面如圖6 所示。由圖6 可以看出，主界面顯示了電機、減速機、滾筒等運行參數表，同時，顯示了井下帶式輸送機的結構件圖，顯示了驅動電機的電壓、電流等數據；與此同時，實時顯示了各個傳感器件采集得到的參數值，包括溫度、煙霧、跑偏、撕裂等，其顯示綠色時表示正常運行，顯示紅色時表示出現了數據異常或者故障，顯示灰色時表示數據未進行采集。

圖6 上位機主界面

5 應用效果評價

針對某煤炭企業服役中的帶式輸送機能耗高、控制簡單的情況，完成了智能調速控制系統設計。為了驗證煤礦帶式輸送機智能調速控制系統設計的可行性，將其應用于企業服役的帶式輸送機中進行試運行，跟蹤記錄系統的運行情況。結果表明，系統運行穩定可靠，實現了實時監測和遠程控制的功能。統計結果顯示，應用智能調速控制系統的帶式輸送機，相較于原控制系統時，故障停機時間降低了近13%，運行維護人員節省2～3 名，耗電量減低近10%，生產效率得到了明顯提升，預計為企業新增經濟效益近80萬元/年，取得了很好的應用效果。