帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

劉 穎，朱棟棟，張 豪

(1.河南神火集團(tuán)煤電股份有限公司 薛湖選煤廠，河南 永城 476600；2.河南能源化工集團(tuán) 永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600)

在煤炭生產(chǎn)的過程中，帶式輸送機(jī)作為主要的運(yùn)輸設(shè)備，由于輸送機(jī)對于長度和傾斜角度的限制，致使選煤廠運(yùn)輸有多級運(yùn)輸。目前國內(nèi)部分選煤廠多級帶式輸送機(jī)的帶速是恒定，不能智能控制帶速，使輸送機(jī)處于滿載狀態(tài)，導(dǎo)致輸送機(jī)長期處于高速、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了能源的消耗。近年來，國內(nèi)學(xué)者對于選煤廠帶式輸送機(jī)帶速控制系統(tǒng)進(jìn)行了諸多研究，有部分學(xué)者通過停止相應(yīng)數(shù)量的電機(jī)，達(dá)到節(jié)能目的，也有學(xué)者提出了逆煤流的啟動方式，改變傳統(tǒng)的提前啟動方式，縮短輸送機(jī)的空載時間，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。文獻(xiàn)[1-2]利用先進(jìn)的SCADE組態(tài)軟件技術(shù)和PLC等技術(shù)，智能化升級改造了主運(yùn)輸系統(tǒng)的大巷帶式輸送機(jī)和主斜井帶式輸送機(jī)，改造后的智能帶式輸送機(jī)系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程智能化啟停帶式輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)了“有人巡檢、無人值守”，降低了生產(chǎn)成本；文獻(xiàn)[3]采用PLC和上位機(jī)的控制模式，利用上位計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口對系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出控制命令，直觀、動態(tài)地顯示各設(shè)備的故障報(bào)警信息和運(yùn)行狀態(tài)；文獻(xiàn)[4]研究了帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，主要由現(xiàn)場控制和集中控制組成，硬件部分以S7-300系列PLC作為系統(tǒng)的主控單元，并設(shè)計(jì)了軟啟動控制程序、系統(tǒng)綜合程序流程。鑒于此，本文研究了選煤廠帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由PLC、電機(jī)、變頻器和各類傳感器組成，并設(shè)計(jì)硬件部分和軟件部分，研究實(shí)現(xiàn)了對帶式輸送機(jī)的智能控制。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國內(nèi)選煤廠運(yùn)輸是通過使用多級帶式膠帶輸送機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，本文研究的選煤廠帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)主要由各種傳感器、電機(jī)、變頻器和PLC控制構(gòu)成的。選煤廠帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5-6]如圖1所示。

圖1 選煤廠帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall structure design of control system of the mine belt conveyor

系統(tǒng)將第1臺輸送機(jī)的煤流信息作為輸入?yún)?shù)，通過PLC控制器對變頻器發(fā)送控制命令，然后執(zhí)行器根據(jù)上位機(jī)的指令，對電極進(jìn)行控制。

2 PLC控制模塊工作流程

PLC控制模塊主要包括多級帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)和可編輯控制[7-9]。①當(dāng)系統(tǒng)初始化接收到的煤流量和帶速后，系統(tǒng)需要確定最優(yōu)匹配帶速，然后通過最優(yōu)比較，當(dāng)參考帶速和當(dāng)前帶速一致時，帶速不作調(diào)整；當(dāng)參考帶速和當(dāng)前帶速不一致時，根據(jù)控制要求，對各電動機(jī)調(diào)整量進(jìn)行確定，然后下發(fā)控制指令。②系統(tǒng)通過計(jì)算電動機(jī)頻率、電壓的調(diào)整量，來確定輸送機(jī)的調(diào)整時間，當(dāng)該輸送機(jī)需要調(diào)整時，將控制指令下放到PLC。PLC工作流程如圖2所示。

圖2 PLC工作流程Fig.2 PLC workflow

3 硬件設(shè)計(jì)

本文對選煤廠帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，需要完成PLC控制器、變頻器和傳感器的選擇和安裝。系統(tǒng)分為5層：被控對象層、傳感檢測層、數(shù)據(jù)分析處理層、下位機(jī)層、上位機(jī)層。

3.1 傳感器硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的智能控制，需要安裝傳感器來監(jiān)測輸送機(jī)的運(yùn)量和帶速，本系統(tǒng)選用的傳感器有超聲波傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、煙霧保護(hù)傳感器、跑偏保護(hù)傳感器、打滑保護(hù)傳感器[10-12]。

(1)超聲波傳感器。采用超聲波傳感器，可以獲取運(yùn)煤量數(shù)值，本文采用UM30-2超聲波傳感器，該傳感器可提供背景抑制功能，精確檢測測量距離。

(2)速度傳感器。該傳感器是系統(tǒng)最主要的傳感器，本文選用GSG8型速度傳感器，用來檢測帶式輸送機(jī)的速度，該傳感器最大測速是8 m/s，額定電流為40 mA，額定電壓為12 V，為光電式傳感器。

(3)溫度傳感器。主要是為了檢測運(yùn)輸系統(tǒng)的溫度，避免出現(xiàn)膠帶溫度過高引起火災(zāi)等問題，本文采用PT-100型溫度傳感器，該傳感器的測溫范圍為-200～500 ℃，是熱電阻感溫裝置。

(4)煙霧保護(hù)傳感器。為了解決膠帶摩擦?xí)a(chǎn)生煙霧、影響運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)輸?shù)葐栴}，本文采用GQQ0.1煙霧保護(hù)傳感器，當(dāng)出現(xiàn)煙霧時，傳感器會從長亮燈變?yōu)殚W燈，然后接通故障指示燈，發(fā)出報(bào)警。

(5)跑偏保護(hù)開關(guān)。本文采用GEJ30跑偏開關(guān)，系統(tǒng)設(shè)置2個跑偏開關(guān)，分別安裝在膠帶兩側(cè)，當(dāng)膠帶跑偏大于22°時發(fā)出報(bào)警信號，當(dāng)膠帶跑偏超過40°時發(fā)出緊急停機(jī)信號，直到膠帶復(fù)位。

(6)打滑保護(hù)傳感器。當(dāng)膠帶摩擦力過低或張緊程度過低時，容易出現(xiàn)打滑，主要原因是輸送機(jī)速度過慢造成的。針對輸送機(jī)速度過慢的問題，需將傳感器緊貼膠帶，監(jiān)測實(shí)時帶速，當(dāng)帶速<規(guī)定值時，系統(tǒng)接收停機(jī)命令，防止膠帶打滑。

各傳感器現(xiàn)場安裝如圖3所示。

圖3 各傳感器現(xiàn)場安裝示意Fig.3 On-site installation of each sensor

3.2 PLC控制器設(shè)計(jì)

PLC控制器是系統(tǒng)最主要的部分，與各類傳感器緊密相連，PLC選型的依據(jù)如下[13-15]：①應(yīng)具有可擴(kuò)展性，除了滿足現(xiàn)在所需接口數(shù)量，還需有余量；②應(yīng)具有較好的容錯性和穩(wěn)定性，能夠防塵、防爆來適應(yīng)環(huán)境；③應(yīng)選用經(jīng)濟(jì)的PLC型號，降低系統(tǒng)成本。

本文選用S7-1200控制器，具有豐富的擴(kuò)展模塊和I/O資源，S7-1200控制器采用雙電源供電，避免了電源故障造成的停機(jī)現(xiàn)象。PLC控制器和其他硬件的連接如圖4所示。

圖4 PLC控制器和其他硬件的連接Fig.4 Connection between PLC controller and other hardware

3.3 變頻器設(shè)計(jì)

PLC控制器的模擬信號傳輸?shù)阶冾l器，變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制帶式輸送機(jī)的目的，本文采用6ES71型號的變頻器，對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。變頻器連接如圖5所示。

圖5 變頻器連接Fig.5 Inverter connection

3.4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)下位機(jī)傳輸?shù)哪M量信號，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)控。本文上位機(jī)主要采用MATLAB、IFIX軟件，MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，IFIX軟件對運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，IFIX軟件開始對系統(tǒng)的運(yùn)載量、帶速、煙霧、故障燈運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)變頻器的頻率輸出，系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)選煤廠帶式輸送機(jī)的安全節(jié)能運(yùn)行。硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

通過軟件平臺可實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的運(yùn)程控制、處理和存儲等功能，軟件采用S7-1200 PLC獲取各傳感器的信號數(shù)據(jù)，使用OPC軟件，將信號數(shù)據(jù)上傳到組態(tài)軟件IFIX上，然后IFIX軟件處理信號數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、繪制歷史曲線等。

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)主要包括啟動子程序、智能控制子程序、故障和保護(hù)子程序等。其中，故障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對IFIX監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，IFIX軟件利用以太網(wǎng)、計(jì)算機(jī)串口、GPRS、總線對智能儀表和PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。IFIX主要由采集數(shù)據(jù)模塊和管理數(shù)據(jù)模塊構(gòu)成，采集數(shù)據(jù)模塊將采集好的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用I/O模塊實(shí)現(xiàn)通信的傳輸；管理數(shù)據(jù)模塊主要由監(jiān)控模塊、可視化界面等組成?？梢暬缑嬷饕傻卿浗缑?、膠帶監(jiān)控主界面、開停查詢界面、故障查詢界面和歷史曲線界面組成。操作臺界面如圖8所示。

5 結(jié)論

根據(jù)選煤廠帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，該整體結(jié)構(gòu)主要是由PLC、電機(jī)、變頻器和各類傳感器搭建的，分析了PLC控制模塊工作流程，并設(shè)計(jì)了硬件部分和軟件部分。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)的智能控制。

圖8 操作臺界面Fig.8 Console interface