礦用帶式輸送機自控系統設計及應用

梁國華

（華陽集團 一礦，山西 陽泉 045000）

0 引 言

帶式輸送機是一種能夠進行連續運輸作業的設備。通常情況下，為保障帶式輸送機在井下平穩運行，設計時電機容量相對較大，存在“大馬拉小車”現象，即帶式輸送機一直恒速運行，造成電能浪費，設備維護保養費用偏高。針對這一情況，以華陽一礦DTL120型帶式輸送機作為研究對象，對帶式輸送機進行變頻技術改造，結合實際運行情況設計自動控制系統。

1 帶式輸送機結構

華陽一礦年產煤量達850萬t，帶式輸送機是該礦主要的運輸設施。因為年產能較大，因此對煤炭運輸要求較高。該礦DTL120/200/3×630型帶式輸送機結構如圖1所示。

圖1 帶式輸送機結構Fig.1 Belt conveyor structure

該型號帶式輸送機驅動滾筒布置在機頭位置，換向滾筒布置在機尾位置。機頭布置2各驅動滾筒，其中一個滾筒兩端各裝1臺防爆電機（型號YBPS450-4)，另一個滾筒一端安裝防爆帶電機（YBPS450-4)、另一端安裝制動器(SHI202/D2000)。帶式輸送機運行過程中遇到突發情況時，可通過制動器進行緊急制動，避免故障擴大化。

DTL120型帶式輸送機在華陽一礦實際運行中存在以下不足：啟動過程為“硬啟動”，沖擊較大；恒速運行，不能根據運輸量進行調整，能耗高。

驅動滾筒換向滾筒

2 方案設計

針對該型號帶式輸送機存在的問題，進行控制系統改進設計，方案設計如圖2所示。控制系統主要由變頻器、配電柜、傳感器、PLC、交換機、上位機等組成。為實現帶式輸送機軟啟動，該系統內置S形曲線啟動模式，降低設備啟動產生的沖擊。

圖2 方案設計框架Fig.2 Scheme design framework

帶式輸送機電力線路主要為3個配電柜，分別對應1個變頻器（型號6ES71)。電機功率、電流通過功率采集模塊進行數據采集；運輸量通過電子膠帶秤進行檢測；輸送帶運行速度由速度傳感器進行檢測。PLC控制器將監測數據與預設值進行對比，若不協調，則下達控制指令，調整變頻器輸出頻率，實現電機轉速調整，使輸送量和運行速度相匹配。各傳感器采集的數據也會同步顯示在顯示屏上，操作者可實時了解帶式輸送機的運行狀態。

3 硬件設計

華陽一礦DTL120型帶式輸送機自控系統主要硬件構成如圖3所示。

圖3 硬件構成Fig.3 Hardware configuration

3.1 PLC控制器

PLC控制器的性能決定了自控系統的可靠性、穩定性。綜合分析現有PLC種類和性能，結合華陽一礦實際情況，選擇S7-1200型PLC控制器，其CPU模塊為1214C DC/DC/DC，該模塊的數字量輸入接口14個、輸出接口10個；模擬量輸入接口數量2個，可很好的滿足系統需求。數字量和模擬量的轉換模塊型號為SM1221 DI8×24V DC，通信模塊選用CM1243-5及CM1241，CM1243-5用于控制器與變頻器間的通訊，CM1241用于控制器與各類傳感器間的通訊。選用PM1207型直流電源模塊，為PLC各模塊進行供電，確保穩定運行。

3.2 變頻器

設計的自控系統方案中，帶式輸送機3臺電機各配有1個變頻器，為保證控制器與變頻器相互兼容，選用6ES71型變頻器，額定功率800 kW，額定電流860 A，輸入電壓660～690 V，允許最大瞬時電流1 170 A。

通過對比分析，此次設計利用PWM逆變器同時調整頻率和電壓，并增加二極管進行整流處理。PWN逆變效果顯著，可有效提高功率因數，并避免電能浪費，應用廣泛，其主電路如圖4所示。

圖4 PWN變頻器主電路Fig.4 Main circuit of PWN inverter

3.3 主要檢測傳感器

（1）電子膠帶秤。主要對運輸物料情況進行檢測。電子膠帶秤種類較多，根據華陽一礦實際情況，為提高自控系統的可靠性，選擇精度較高的ICS-ST型電子膠帶秤，誤差范圍0.25%～1.00%，許可運行速度范圍0.1～5.0 m/s，稱重范圍10～1 000 t/h，能夠滿足華陽一礦生產需要。該裝置由支架、速度傳感器、重量傳感器、數據采集模塊組成，單位時間內重量與速度的比值即為煤炭流量。為確保煤礦井下安全，所有元器件均為本質安全型。

（2）速度傳感器。速度傳感器主要作用是采集輸送帶的實時運行速度。其原理是在驅動滾筒軸心固定永久磁鐵片，將傳感器（GSH5型）布置在滾筒附近支架上。皮帶運行時，磁鐵片做圓周運動，傳感器靜止，當磁鐵片經過傳感器時會產生一個脈沖信號，利用霍爾原理即可得出滾筒旋轉速度，從而得到輸送帶運行速度。

（3）功率采集模塊。功率采集模塊型號為EDA9033A，用于采集3臺電機運行中的電力信息，含功率、電流、電壓等數據。

4 軟件設計

4.1 PLC軟件程序

（1）啟動程序。帶式輸送機啟動流程如圖5所示。為防止帶式輸送機啟動過快對零部件造成損害，采用S形曲線啟動模式，減少啟動沖擊。

圖5 帶式輸送機啟動流程Fig.5 Starting process of belt conveyor

（2）平穩運行時速度調整程序。煤炭開采時產量具有波動性，自控系統不能過于靈敏，否則受煤炭產量的波動影響，PLC控制器頻繁對帶速調整，帶式輸送機無法平穩運行。所以應結合煤礦實際生產情況，進行煤炭流量區間劃分，一個區間對應一個速度值，如圖6所示。

圖6 帶式輸送機速度控制流程Fig.6 Speed control process of belt conveyor

4.2 上位機程序

上位機對帶式輸送機狀態進行實時監控，還可以進行指令下達，遠程控制帶式輸送機的運行情況。上位機程序在WinCC 7.3組態軟件中完成，主要包括系統管理、數據管理和監控界面。

系統管理包括系統設置、用戶管理等方面，為保障系統安全，不同用戶具有相對應的安全等級，查看權限、范圍也有所不同。數據管理主要對帶式輸送機運行數據、操作數據等進行歸類并存儲，并基于此實現對歷史數據的查詢。監控界面是將運行數據進行直觀顯示，幫助操作者隨時掌握帶式輸送機運行狀況。

5 效果評價

按照上述方案，將控制系統應用到華陽一礦DTL120/200/3×630型帶式輸送機中。對系統進行現場調試，投用后整體運行良好，無明顯故障。帶式輸送機啟動階段，按照系統內置S形曲線方式啟動，設備平穩啟動，沖擊較小。帶式輸送機平穩運行階段，控制系統根據電子膠帶秤反饋的數據進行變頻器輸出頻率控制，實現輸送帶速度調整。自控系統投用前后7 d數據分析結果如圖7、圖8所示。

圖7 自控系統投用前帶式輸送機恒速運行數據統計Fig.7 Data statistics of constant speed operation of belt conveyor before the use of automatic control system

圖8 自控系統投用后帶式輸送機變頻運行數據統計Fig.8 Frequency conversion operation data statistics of belt conveyor after the use of automatic control system

自控系統投用前帶式輸送機恒速運行時，連續7 d噸煤耗電量分別為2.48、2.54、2.52、2.54、2.57、2.60、2.62 kW·h，平均噸煤耗電量2.55 kW·h；自控系統投用后，連續7 d噸煤耗電量分別為2.02、1.99、2.01、2.03、1.96、2.05、2.01 kW·h，平均噸煤耗電量2.01 kW·h。由此可見，采用自控系統后，噸煤耗電量有所下降，降幅21.28%，為企業生產降低電費投入。此外，采用自控系統后，可實時監測設備運行情況，及時發現故障，有利于降低設備維護保養成本。

6 結 語

華陽一礦自控系統投用后，帶式輸送機啟動平穩，沖擊力下降；運行過程中可根據煤炭流量進行輸送帶速度調整，噸煤耗電量下降21.28%，節能降耗；實時監測可及時發現設備問題，降低了維護保養成本，具有良好的經濟效益。