帶式輸送機智能驅動控制系統的設計及應用

熊韜

山西陽煤化工機械（集團）有限公司 山西 太原 030000

1 前言

帶式輸送機作為我國重要的運輸設備，在各行各業中均被廣泛應用，隨著我國開采量的不斷加大，帶式輸送機逐步向著大跨距、大運量方向發展。但隨著帶式輸送機的運載能力的提升，其耗電成本占生產費用的比重也在增大[1，2]。由于我國地質條件的不均勻性，使得在進行煤礦開采過程中的采煤量不是恒定值，所以帶式輸送機在運輸過程中存在滿載和空載的情況，當滿載時帶式輸送機的效率就高，反之較低，所以改善帶式輸送機運輸速度與載重的配比情況對于提升帶式輸送機效率，降低運輸成本十分重要[3，4]。本文基于變頻器對帶式輸送機的控制系統進行優化設計，為帶式輸送機速度與載重的協調做出一定的借鑒。

2 系統軟件設計

針對礦用帶式輸送機這種大馬拉小馬的情況，對變頻控制系統進行研究，帶式輸送機的運行速度與帶式輸送機的能耗呈現正相關的關系，在實際運行過程中，降低帶式輸送機的運行速度能夠達到降能的目的。在帶式輸送機運行過程中影響其運行速度的因素有許多，如運載量、皮帶的寬度等。當運行速度降低時，此時的帶式輸送機的線密度增加，此時皮帶需要的張力增大，當張力不足時會造成設備的損壞，所以在降低能耗的同時又能保障帶式輸送機的正常工作是本文研究的目標。

帶式輸送機運量與運行速度間的關系如下公式所示：

公式中：Q為帶式輸送機運載量，kg；v為運行速度，m/s；qm為帶式輸送機的線密度，kg/m。所以在不同階段內帶式輸送機的運輸量是不同的，所以通過檢測設備負載情況進行速度的自動控制，從而實現帶速與載重量的匹配。

進行帶式輸送機變頻控制的前提需要設計PLC智能調節器，PLC根據采集到的運行數據進行邏輯運算，從而給出帶式輸送機的運行速度，帶式輸送機的驅動裝置選定為變頻驅動。變頻控制系統主要由控制單元、執行單元及檢測單元組成，其中控制單元為整個控制系統的核心，檢測單元為系統控制的基礎，執行單元為系統控制的保障。

PLC控制程序需要包括電機的控制程序、煤量的控制程序、節能調速控制程序、預警控制程序等。PLC控制主程序如圖1所示。

圖1 變頻器實物展示圖

圖1 PLC控制主程序流程圖

從圖1可以看出，PLC控制主程序運行過程為先進行啟動預警，對系統保護狀態進行檢測，當發現問題時，系統自動報警，沒有發現問題系統啟動，啟動為延遲啟動，啟動后對電機的運行狀態進行檢測，當無需調速時，此時帶式輸送機以恒定速度進行運行，當檢測出存在功率和運載量不匹配情況時，PLC控制程序經過邏輯計算輸出合理帶速，系統進行帶速調節，帶式輸送機保持變頻運行，直至結束工作。

功率平衡子程序是解決功率平衡重要的程序，其通過采集電機的運行信號進行分析，確定是否需要調節功率，當需要調節功率時，程序自動對頻率進行調節，從而實現功率調節的目的，功率平衡程序控制流程圖如2所示。

從圖2可以看出，功率平衡程序啟動后，系統自動采集電機的電流信號，系統計算平均電流Ip，分別比較變頻器電流與平均電流的大小，當變頻器的電流與系統平均電流的比值大于95%時，此時降低變頻器的頻率，比值小于95%時增大變頻器的頻率，系統持續保持循環運行，保證達到功率平衡。

圖2 功率平衡程序控制流程圖

圖3 節能調速子程序流程圖

節能調速子程序是系統對運煤量及帶式輸送機運行速度信號進行采集、分析、處理，給出兩者相互匹配的運行數值，節能調速子程序流程圖如3所示。

系統從開始運行后先對煤倉的煤位進行檢測，檢測煤量是否在設定的范圍內，當煤量在設定范圍內時，系統對運量進行檢測，給出帶速，實現節能控制，當煤量不在設定范圍內時，檢測是低于還是高于設定值，從而得出給煤機的裝煤量，系統反復運行，實現節能調速控制。

3 系統硬件設計

根據實際情況對變頻調速控制系統進行設計，變頻器作為控制執行設備，其主要作用是將接收到的PLC信號進行識別，將信號轉化為不同的輸出頻率作用于帶式輸送機的電動機上，從而實現帶式輸送機的變頻調速。本文從安全的角度進行考慮選定MVG-2000/10/6k型變頻器作為本文設計的調速裝置，MVG-2000/10/6k型變頻器具有過電流、過電壓、過熱和電機過載等保護功能，系統選用兩條帶式輸送機，每臺帶式輸送機選用3個變頻器，所以系統共有6個變頻器。變頻器額定容量為2000kVA，額定的輸入電壓為10kV，額定的輸出電壓為6kV，變頻器實物如圖4所示。

PLC控制是整個控制單元的重要部分，PLC主要用于采集運行狀態信息及輸出控制信號，系統的PLC控制器選用ControlLogix5000 1756控制器，ControlLogix5000 1756控制器具備可編程功能，其主要是由電源模塊、核心CPU、、通訊模塊、模擬輸入、輸出模塊和I/O模塊等。

對綜合保護裝置進行選型，選定KTC101-Z作為綜合保護裝置，KTC101-Z綜合保護裝置具備瞬時停車方式、設備互鎖及信號聯系，能夠實現帶式輸送機的跑偏、打滑、撕裂及電機故障等事故的及時報警。KTC101-Z綜合保護裝置是礦井專用的集控系統，系統內部嵌入現場CAN總線技術和PC104控制，采用7芯一線就可實現所有功能。

對帶式輸送機的PLC控制軟件進行設計，選用編程軟件RSlogix5000，對組態及監控進行編程，使得上位機通過界面就可實現故障的識別與監控，發生故障后，可以立即定位發生故障的位置，當發生故障較大，影響整體系統運行時，此時系統立即停止運行，進行故障的排處，完成故障排處后，帶式輸送機恢復運行，當系統故障較小，不影響整體運行時，此時帶式輸送機發出故障報警后繼續運行，不影響帶式輸送機的整體效率。

將優化后的帶式輸送機變頻控制系統進行應用后發現，經過優化后，帶式輸送機能夠實現帶速的變頻調節，通過應用得出優化后的帶式輸送機變頻系統有效解放了人工勞動強度，提升了工作效率，降低了帶式輸送機皮帶的磨損，提升了整體系統的穩定性與可靠性，為礦井開采成本的降低做出一定的貢獻。

4 結束語

本文通過分析帶式輸送機帶速與運載量之間的關系，對帶式輸送機的變頻控制系統進行設計分析，給出了PLC控制主程序、功率平衡子程序、節能調速子程序的控制流程圖及其工作原理，并對系統變頻器、PLC控制器及綜合保護裝置的選型進行分析，給出了帶式輸送機的變頻控制系統，通過現場實踐驗證了系統的可行性，為礦井帶式輸送機的高效運行提供一定的參考。