帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

張高陽

（沁水縣應(yīng)急管理局，山西 沁水 048200）

帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中，因生產(chǎn)情況變化運(yùn)輸量也不斷變化，在空載情況下存在運(yùn)輸效率低、能耗高以及磨損設(shè)備情況[1]，且?guī)捷斔蜋C(jī)不會(huì)隨負(fù)載量自行調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，故針對帶式輸送機(jī)進(jìn)行智能調(diào)速及節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及控制流程

帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)主要硬件包括PLC 智能控制裝置、運(yùn)輸量監(jiān)測裝置、電機(jī)功率監(jiān)測裝置、變頻調(diào)速裝置以及各類保護(hù)傳感器[2]。其中，PLC控制器是智能調(diào)速系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)采集與處理的核心控制裝置，可以保證智能調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性，PLC 控制器選擇S7-1214PLC 型可編程邏輯控制器作主控制器。如圖1。

如圖1 所示，帶式輸送機(jī)硬件控制方式為：上位機(jī)向PLC 控制器傳達(dá)控制命令后，PLC 控制器控制變頻器進(jìn)行輸出控制，由變頻器控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行。速度傳感器負(fù)責(zé)向PLC 控制器傳送帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度監(jiān)測數(shù)據(jù)，皮帶秤負(fù)責(zé)向PLC 控制器傳送運(yùn)輸量監(jiān)測數(shù)據(jù)，功率采集模塊負(fù)責(zé)向PLC控制器傳送帶式輸送機(jī)的電機(jī)功率以及變頻器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，各類保護(hù)傳感器負(fù)責(zé)向PLC 控制器傳送堆煤、撕裂、溫度等各項(xiàng)保護(hù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。PLC 控制器作為核心處理控制器，將收集到的各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳達(dá)到上位機(jī)，上位機(jī)工作人員即可通過上位機(jī)可視化操控界面對帶式輸送機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操控。

圖1 帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)硬件功能及控制關(guān)系示意圖

2 帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)智能調(diào)速系統(tǒng)各硬件的連接及控制，保證逐級(jí)智能控制和功能的實(shí)現(xiàn)，具體包括：各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、命令的發(fā)送與接收處理、異常信息的預(yù)警與控制等。

2.1 PLC 控制器程序設(shè)計(jì)

PLC 控制器的程序設(shè)計(jì)借助于西門子TIA Portal 軟件設(shè)計(jì)，按照圖1 所示需對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)輸量、電機(jī)功率、變頻器數(shù)據(jù)及各類保護(hù)裝置的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行收集和初步處理，并將初步處理的綜合數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。該程序設(shè)計(jì)總體來說包含啟動(dòng)、調(diào)速和保護(hù)程序三個(gè)方面的設(shè)計(jì)。

（1）啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

為避免常規(guī)帶式輸送機(jī)恒功率啟動(dòng)帶來的過大載荷及高電壓對設(shè)備的損壞[3]，確保帶式輸送機(jī)緩慢平穩(wěn)啟動(dòng)，啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用軟啟動(dòng)方式進(jìn)行，主要利用變頻器對帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率在啟動(dòng)期間按照從低到高的變頻輸出方式，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)初始階段為低功率輸出，延時(shí)3 s（可根據(jù)平均負(fù)載量等參數(shù)自行設(shè)定）后增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率使運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入加速階段，直至達(dá)到正常運(yùn)行速度，并由速度傳感器將運(yùn)行速度數(shù)據(jù)傳送至PLC控制器。該程序設(shè)計(jì)主要對象及內(nèi)容為對變頻器在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)期間的輸出指令設(shè)計(jì)及控制。

（2）調(diào)速程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)節(jié)能高效運(yùn)輸，在運(yùn)行期間能夠根據(jù)運(yùn)輸量自行調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，同時(shí)需防止控制器頻繁調(diào)速導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定產(chǎn)生更多能耗甚至損壞設(shè)備的情況，在進(jìn)行調(diào)速程序設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸量變化情況將其劃分為多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對應(yīng)設(shè)置一個(gè)運(yùn)行速度，由調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)輸量對應(yīng)的區(qū)間給定相應(yīng)運(yùn)行速度，且各個(gè)區(qū)間之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)利用變頻器實(shí)現(xiàn)速度的變頻調(diào)速，保證運(yùn)行及轉(zhuǎn)換期間運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，還需設(shè)計(jì)在發(fā)生超載情況下的自動(dòng)報(bào)警及停機(jī)程序，防止過載造成燒電機(jī)、斷帶等事故。帶式輸送機(jī)智能調(diào)速流程及控制設(shè)計(jì)如圖2。

（3）保護(hù)程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)程序是將堆煤、撕裂、煙霧、溫度、防滑、跑偏及急停拉繩保護(hù)傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸至PLC 控制器，PLC 控制器將各類保護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后傳輸至上位機(jī)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)對應(yīng)保護(hù)傳感器數(shù)據(jù)則會(huì)出現(xiàn)異常，PLC 控制器則會(huì)將收到的異常數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至上位機(jī)并控制帶式輸送機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，上位機(jī)收到保護(hù)程序的異常數(shù)據(jù)則會(huì)發(fā)出警報(bào)，便于及時(shí)處理，保證運(yùn)行安全。

圖2 帶式輸送機(jī)智能調(diào)速流程及控制設(shè)計(jì)示意圖

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要借助于西門子winCC7.3 編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)主要有上位機(jī)可視化操控界面、管理權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)管理等[4]。PLC 控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，由PLC 控制器將帶式輸送機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行及各項(xiàng)保護(hù)數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理后上傳至上位機(jī)，上位機(jī)管理人員則可通過上位機(jī)向帶式輸送機(jī)PLC 控制器發(fā)出指令，PLC 控制器接到上位機(jī)指令后，做出相應(yīng)智能控制，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對現(xiàn)場帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視及操控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人化智能管理。上位機(jī)系統(tǒng)軟件如圖3。

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)軟件示意圖

3 帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 智能調(diào)速系統(tǒng)可視化操控

帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)可通過上位機(jī)觀測帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀況及各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，并可詳細(xì)記錄帶式輸送機(jī)的運(yùn)行趨勢，如圖4。在運(yùn)輸過程中，可通過上位機(jī)可視化操控界面進(jìn)行調(diào)速模式和恒速模式間的切換，在運(yùn)輸量穩(wěn)定的情況下可以設(shè)定相應(yīng)區(qū)間的恒定速度，在運(yùn)輸量不穩(wěn)定情況下則可切換至智能調(diào)速的節(jié)能模式，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效運(yùn)輸。

3.2 智能調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效果分析

常村煤礦23 采區(qū)皮帶上山的帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)自2019 年2 月投入使用后，通過觀察調(diào)速節(jié)能模式狀況下的運(yùn)輸能耗情況，對比恒速運(yùn)行狀況下的能耗情況，分析智能調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果。兩種模式下一周時(shí)間內(nèi)的運(yùn)輸量及耗電量統(tǒng)計(jì)情況見表1、表2。

表1 恒速運(yùn)行模式一周運(yùn)輸量及耗電量統(tǒng)計(jì)

表2 智能調(diào)速模式運(yùn)行一周運(yùn)輸量及耗電量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述兩種不同狀態(tài)下的運(yùn)輸量及耗電量，分別計(jì)算恒速運(yùn)行狀態(tài)（Whs）和智能調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)（Wts）下單位運(yùn)輸量產(chǎn)生的耗電量，計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，恒速運(yùn)行狀態(tài)下平均耗電量為3.01 kW·h/t，智能調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)下平均耗電量為2.03 kW·h/t，每噸電耗降低0.98 kW·h，智能調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)下一周內(nèi)可節(jié)約電能35 427.2 kW·h，在智能調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)下耗電量降幅32.5%，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能高效運(yùn)輸。

4 結(jié)論

通過對常村煤礦23 采區(qū)皮帶上山帶式輸送機(jī)進(jìn)行智能調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行速度隨運(yùn)輸量變化進(jìn)行智能調(diào)速功能，降低能耗，耗電量相比恒速運(yùn)行狀態(tài)下降幅32.5%，且避免了過載、空載運(yùn)行損壞設(shè)備情況，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、高效、安全運(yùn)輸。