皮帶運(yùn)輸效率優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

喬 喆

（晉城市煤炭煤層氣工業(yè)局，山西晉城 048000）

0 引言

帶式運(yùn)輸機(jī)在煤礦生產(chǎn)中有著不可或缺的作用。傳統(tǒng)井下帶式運(yùn)輸機(jī)采用液力耦合器進(jìn)行軟啟動(dòng)，但使用效果弊大于利，存在故障率高、維修難度大、無(wú)功環(huán)流損耗、傳動(dòng)效率低等問(wèn)題。隨著現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化水平也越來(lái)越高，越來(lái)越多的高新技術(shù)用于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)之中，提高了皮帶運(yùn)輸機(jī)的效率和安全性。本文設(shè)計(jì)了基于變頻調(diào)速技術(shù)、PLC、智能控制技術(shù)的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，結(jié)合煤礦運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行了優(yōu)化，包括系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)，提高了皮帶運(yùn)輸效率，降低了能源損耗，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 皮帶運(yùn)輸效率優(yōu)化概述

1.1 傳統(tǒng)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的不足

液力耦合器是傳統(tǒng)井下皮帶運(yùn)輸機(jī)主要采用的機(jī)件，但是它的存在增加了空載啟動(dòng)環(huán)節(jié)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部元件造成嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)對(duì)皮帶強(qiáng)度也有高的要求；對(duì)于井下運(yùn)輸量工作量大的問(wèn)題，往往需要多電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而液力耦合器無(wú)法解決多電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不平衡問(wèn)題。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)采用恒速運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)低載高速甚至空載高速運(yùn)行的現(xiàn)象，智能化程度低，導(dǎo)致工作效率低，浪費(fèi)大量電能[2-3]。

1.2 皮帶運(yùn)輸效率優(yōu)化

變頻調(diào)速技術(shù)目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，用在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)上具有很多優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動(dòng)，降低皮帶強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩平衡問(wèn)題；同時(shí)由于具有調(diào)速功能，基于智能控制技術(shù)，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載的重量情況對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)[4]。本文提出了一種皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化方案，將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中，聯(lián)合傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)，可以更好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)軟啟動(dòng)，根據(jù)不同的運(yùn)量合理安排運(yùn)輸機(jī)的帶速，同時(shí)通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)和上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)這種方式可以快速實(shí)時(shí)定位故障點(diǎn)，提高了皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化程度和皮帶運(yùn)輸效率。

2 系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化方案如圖1所示。系統(tǒng)中包括變頻器部分、PLC可編程邏輯控制器、電參數(shù)采集模塊、各種井下傳感器、RS485通信電路、上位機(jī)部分。其中PLC控制器的主要功能是對(duì)煤礦井下的各種實(shí)時(shí)信息進(jìn)行采集，采集到的信息通過(guò)原先設(shè)計(jì)好的算法進(jìn)行運(yùn)算，將PLC的運(yùn)算結(jié)果作為依據(jù)來(lái)控制井下設(shè)備的啟停，同時(shí)井下信息會(huì)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，地上工作者可以對(duì)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)中的傳感器部分、電參數(shù)采集模塊用來(lái)負(fù)責(zé)檢測(cè)帶式運(yùn)輸機(jī)的電壓電流參數(shù)、轉(zhuǎn)速、煤位以及井下煙霧濃度。主從變頻器用來(lái)根據(jù)實(shí)際情況或者上位機(jī)命令來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)框圖

3 硬件平臺(tái)電路設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制器選型

PLC，也稱可編程邏輯控制器，是一種新型的工業(yè)控制裝置，適用于煤礦井下各種惡劣的環(huán)境[5]。本文的系統(tǒng)主控制器選擇了西門(mén)子S7-200系列的PLC控制器。該產(chǎn)品在我國(guó)使用范圍非常廣泛，可靠性穩(wěn)定，控制作用強(qiáng)大，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力強(qiáng)，具有多個(gè)I/O口，通信擴(kuò)展能力強(qiáng)。PLC控制器的硬件系統(tǒng)需要CPU模塊、通信模塊、數(shù)字輸入量擴(kuò)展模塊等支持。對(duì)于CPU模塊，本系統(tǒng)采用了CPU-224XP，該模塊中包含3個(gè)模擬量輸入輸出點(diǎn)，24個(gè)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)。對(duì)于通信模塊，系統(tǒng)采用了CP243-1，該通信模塊具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力，支持PLC多種網(wǎng)絡(luò)通信。對(duì)于數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)選用了西門(mén)子公司的EM221系列。

3.2 變頻控制電路設(shè)計(jì)

變頻器可以控制皮帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)進(jìn)行智能調(diào)速，更好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)和停止，減弱對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高皮帶壽命。而且變頻器通過(guò)與PLC通訊，煤礦井下采集數(shù)據(jù)經(jīng)PLC分析處理可以控制皮帶運(yùn)輸機(jī)電機(jī)的頻率和電壓，繼而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其勻速、高速、低速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速和智能化運(yùn)輸。

本系統(tǒng)的變頻器采用了AC-DC-AC交換模式，其中變頻器主電路是由整流電路、中間直流電路和逆變電路3個(gè)部分組成的。變頻器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)于變頻器變頻調(diào)速技術(shù)，變頻方式有很多，本文的AC-DC-AC型變頻器采用的調(diào)壓調(diào)頻方式為二極管整流和PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻方式。PWM逆變器可以輸出按正弦規(guī)律變化的電壓脈寬，通過(guò)這種方式，電機(jī)電流的波形會(huì)接近于正弦波，不但可以減弱電流諧波影響，提高功率因數(shù)，更能減小電網(wǎng)波形畸變。

變頻器的引入對(duì)于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)效率提升是一個(gè)質(zhì)的飛躍，PLC通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理發(fā)出控制信號(hào)控制變頻器，工頻、交流輸入信號(hào)在變頻器的作用下轉(zhuǎn)換為頻率電壓可調(diào)的AC輸出信號(hào)，近而對(duì)皮帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速。

3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

本文皮帶傳輸系統(tǒng)引入了變頻調(diào)速技術(shù)，因此系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)與調(diào)節(jié)尤為關(guān)鍵。目前電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用測(cè)速儀，性價(jià)比低，不利于大范圍使用。在煤礦下電機(jī)轉(zhuǎn)速需要實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且精確測(cè)量，因此采用霍爾傳感器檢測(cè)到的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。在PLC定時(shí)器中將電機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)化為技術(shù)算法，把結(jié)果顯示在上位機(jī)監(jiān)控軟件和LCD顯示屏上，聯(lián)合智能控制技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速，提高工作效率。圖3所示為硬件電路圖，工作原理是：將一塊永久磁鐵附于電機(jī)軸表面，磁鐵附近固定一個(gè)霍爾傳感器，背對(duì)磁鐵。皮帶運(yùn)輸機(jī)工作，電機(jī)轉(zhuǎn)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵從霍爾傳感器背面經(jīng)過(guò)，脈沖信號(hào)通過(guò)放大整形電路轉(zhuǎn)換。電路圖中電阻為上拉電阻，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵通過(guò)時(shí)，電阻前面的引腳從0 V變?yōu)? V，后端的三極管輸出脈沖波形，波形的頻率經(jīng)過(guò)公式換算即為轉(zhuǎn)速大小。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

3.4 RS485通訊電路設(shè)計(jì)

在當(dāng)下的煤礦井下，電參數(shù)采集模塊以及各種傳感器與PLC的通信方式采用RS485通信電路，一般都具有RS485信息接口。利用RS485通信電路，可將電參數(shù)采集模塊采集到的各種參數(shù)如電壓、電流、功率、功率因數(shù)等以及轉(zhuǎn)速、溫度、煙霧濃度等信息上傳到PLC控制器上進(jìn)行分析處理。礦井下通信接口需要滿足電路本質(zhì)安全，為此選用MAX1480B隔離芯片，此芯片可以有效保護(hù)采集信息單元內(nèi)部電路破壞，隔離瞬時(shí)高壓。RS485通訊采用雙路差分傳輸模式，但由于差分信號(hào)M、N之間產(chǎn)生的反射信號(hào)會(huì)對(duì)采集數(shù)據(jù)帶來(lái)干擾，如圖4所示，本文在隔離芯片后端外接120 Ω匹配電阻，同時(shí)在接地端連接1 kΩ下拉電阻，在電源端連接1 kΩ上拉電阻，這樣可以更可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

圖4 RS485總線電路及隔離接口

4 軟件流程設(shè)計(jì)

圖5 軟件主程序流程圖

本文所設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案采用的控制器為PLC，為減少軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的時(shí)間周期，采用組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作。PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、軟起動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)、通信程序設(shè)計(jì)、調(diào)速子程序設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)、故障程序設(shè)計(jì)等。在調(diào)速子程序中，本文采用了模糊控制智能技術(shù)，通過(guò)PLC設(shè)計(jì)相關(guān)算法，可以根據(jù)皮帶上面煤量的負(fù)重來(lái)智能調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的壽命?？偝绦蛄鞒倘鐖D5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析傳統(tǒng)煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)電氣系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，針對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)效率低下問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于可編程邏輯控制器、變頻調(diào)速技術(shù)、傳感技術(shù)和有線通信技術(shù)的井下皮帶運(yùn)輸機(jī)效率優(yōu)化方案，介紹了優(yōu)化方案的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及各部分關(guān)系。在系統(tǒng)的硬件平臺(tái)電路設(shè)計(jì)中，以PLC為主控制器，詳細(xì)介紹了變頻器的結(jié)構(gòu)圖，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，RS485通訊電路設(shè)計(jì)。實(shí)際運(yùn)行情況證明該方案達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，效率提高，具有一定推廣意義。