原煤智能皮帶輸送系統(tǒng)的研究

高 昆

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)公司選煤廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

對(duì)于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)除了保證安全性，也要考慮輸送效率及能耗，由于露天煤炭開采、上煤環(huán)節(jié)和原煤輸送系統(tǒng)存在不連續(xù)的原因，傳統(tǒng)的皮帶輸送系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備空轉(zhuǎn)和低效運(yùn)行的情況，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。隨著科技的日益發(fā)展，智能化選煤廠建設(shè)逐步開始實(shí)施，膠帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用成為企業(yè)高效發(fā)展的迫切需求。目前永磁變頻直驅(qū)技術(shù)也已經(jīng)在化工運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛實(shí)施，比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加節(jié)能，壽命更長(zhǎng)，自動(dòng)調(diào)速方面更有優(yōu)勢(shì)，加之傳感器和PLC 控制系統(tǒng)的支撐，可以實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)智能輸送，實(shí)現(xiàn)原煤輸送系統(tǒng)的高效率運(yùn)行和節(jié)能降耗，從而達(dá)到減人增效、提高原煤輸送安全程度的目的，該系統(tǒng)的應(yīng)用同時(shí)也能優(yōu)化人機(jī)管理方式，更便捷地方便管理者掌握生產(chǎn)情況，有利于管理者做出分析決策。

1 原煤智能皮帶輸送系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 智能皮帶輸送系統(tǒng)組成

智能皮帶輸送系統(tǒng)主要由集中控制系統(tǒng)、永磁變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、物料檢測(cè)等傳感器組成，它可實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶的智能調(diào)速、故障預(yù)警、動(dòng)態(tài)展示等功能。皮帶智能輸送系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分采用永磁變頻驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的變頻調(diào)速功能，而非傳統(tǒng)異步電機(jī)的恒定工頻運(yùn)行方式，皮帶機(jī)的各類傳感器主要是對(duì)皮帶輸送原煤過程中的受料斗和皮帶上的物料情況、皮帶運(yùn)行頻率和其他電氣參數(shù)、破碎站運(yùn)行方式等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過集中控制系統(tǒng)進(jìn)行智能判斷，做出相應(yīng)的執(zhí)行操作。本系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)的皮帶輸送系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行硬件和軟件的升級(jí)，改造了驅(qū)動(dòng)部分，增加各類的傳感器，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制部分進(jìn)行軟件升級(jí)，編程優(yōu)化，改變了皮帶輸送的現(xiàn)有的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送系統(tǒng)的智能調(diào)速、故障預(yù)警等功能。

皮帶智能輸送系統(tǒng)根據(jù)硬件組成及系統(tǒng)功能可分為管理層、控制層、設(shè)備層和檢測(cè)層4 層網(wǎng)絡(luò)體系（圖1）。

圖1 皮帶智能輸送系統(tǒng)

（1）管理層：調(diào)度集中控制平臺(tái)基于美國通用IFIX 組態(tài)軟件，將皮帶機(jī)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)傳感器傳回的各類數(shù)據(jù)存入共享數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)通過下位機(jī)軟件和組態(tài)軟件的轉(zhuǎn)換編輯，以易讀、可視化的圖形形式展示于畫面上，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作執(zhí)行任務(wù)，配合PLC 可編程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

（2）控制層：包含PLC 主站和各個(gè)PLC 分站系統(tǒng)，該層核心部分為PLC 主站，它是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，PLC 主從站通過以太網(wǎng)的通信方式，不僅負(fù)責(zé)與皮帶機(jī)的各個(gè)分站數(shù)據(jù)交互傳輸、邏輯運(yùn)算、執(zhí)行指令、上下級(jí)閉鎖和故障聯(lián)動(dòng)等功能，同時(shí)負(fù)責(zé)與上位機(jī)組態(tài)畫面的數(shù)據(jù)共享，操作執(zhí)行、監(jiān)控顯示等功能的實(shí)現(xiàn)。各個(gè)分站負(fù)責(zé)單套永磁變頻皮帶機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，可實(shí)現(xiàn)單套皮帶機(jī)系統(tǒng)的啟停控制、智能調(diào)速、故障預(yù)警等功能。該層主要工作是負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有數(shù)據(jù)的采集、邏輯運(yùn)算和指令執(zhí)行，并將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。

（3）設(shè)備層：該層是由各個(gè)永磁變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成的，為了能進(jìn)行皮帶的智能調(diào)速，對(duì)傳統(tǒng)的皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，傳統(tǒng)皮帶驅(qū)動(dòng)由異步電機(jī)、偶合器、減速機(jī)、滾筒組成，且由于異步電機(jī)的運(yùn)行特性，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只能進(jìn)行工頻運(yùn)行，皮帶機(jī)以固定速度運(yùn)行，膠帶機(jī)無法智能調(diào)速，設(shè)備損耗及系統(tǒng)電耗較大。采用永磁變頻驅(qū)動(dòng)，不僅可以進(jìn)行變頻調(diào)速，而且節(jié)能效果突出，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率有了很大的提升。該層主要負(fù)責(zé)各個(gè)皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，并將本設(shè)備層上的運(yùn)行數(shù)據(jù)納入各個(gè)PLC 分站系統(tǒng)，交由控制層處理，同時(shí)將所有設(shè)備的實(shí)時(shí)的電流、電壓、溫度、頻率等數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給管理層。

（4）監(jiān)測(cè)層：該層包含參與智能調(diào)速的各類傳感器，破碎站受料斗處安裝的雷達(dá)料位計(jì)，負(fù)責(zé)對(duì)受料斗中的料位情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輸出4～20 mA 電流信號(hào)；物位傳感器安裝于皮帶機(jī)頭尾兩端，負(fù)責(zé)檢測(cè)皮帶上料位情況，輸出開關(guān)量信號(hào)；電子皮帶秤安裝于破碎站出口的第一級(jí)皮帶機(jī)尾，負(fù)責(zé)檢測(cè)皮帶瞬時(shí)量，輸出為每小時(shí)噸煤量。微波料位開關(guān)負(fù)責(zé)檢測(cè)上下級(jí)皮帶溜槽堵煤情況，一旦上下級(jí)皮帶不同速度時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)并及時(shí)停車，保證輸煤系統(tǒng)的安全運(yùn)行。傳感器監(jiān)測(cè)到的各類數(shù)據(jù)均傳至控制層處理。

1.2 智能皮帶輸送系統(tǒng)的工作原理

智能皮帶輸送機(jī)以智能調(diào)速為目的，現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器收集到的數(shù)據(jù)與永磁變頻器運(yùn)行時(shí)電氣參數(shù)（如電壓、電流、給定頻率、反饋頻率等）通過PLC 主從通信方式進(jìn)行傳輸，反饋給下位機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、輸出執(zhí)行。傳統(tǒng)皮帶輸送系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：露天礦運(yùn)煤大車將原煤倒入破碎站受料斗，受料斗下方裝有板式給料機(jī)，板式給料機(jī)以恒定速度將原煤輸送至破碎機(jī)進(jìn)行破碎處理，破碎后的原煤進(jìn)入地面皮帶，地面皮帶為多級(jí)皮帶，最終進(jìn)入儲(chǔ)煤倉，地面皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動(dòng)后，一直以恒定的頻率運(yùn)行，無論破碎站受料斗與皮帶上的物料是否供應(yīng)充足，整個(gè)皮帶輸送系統(tǒng)一直恒定速度運(yùn)行。由于露天礦大車在運(yùn)輸過程中經(jīng)常出現(xiàn)不連續(xù)工作情況，皮帶斷料或低量運(yùn)行的情況經(jīng)常出現(xiàn)，皮帶空轉(zhuǎn)時(shí)間每天約1 h 左右，系統(tǒng)的空轉(zhuǎn)率高，對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大的制約，同時(shí)設(shè)備損耗和系統(tǒng)電耗也相對(duì)增加。因此智能皮帶輸送系統(tǒng)能很好的解決傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)的各類問題。

智能皮帶輸送系統(tǒng)工作原理：露天礦大車供應(yīng)正常且上煤連續(xù)時(shí)，破碎站鏈?zhǔn)焦伟鍣C(jī)及下游皮帶系統(tǒng)均以恒定速度運(yùn)行，當(dāng)破碎站的大車上煤不連續(xù)時(shí)，位于受料斗處的雷達(dá)料位計(jì)檢測(cè)到受料斗料位位于低位，PLC 程序通過邏輯判斷，首先將鏈?zhǔn)焦伟鍣C(jī)的速度降為0，接著位于一級(jí)皮帶機(jī)尾上的電子皮帶稱的瞬時(shí)煤量降為最低，當(dāng)斷料點(diǎn)傳輸至機(jī)頭時(shí)，位于機(jī)頭的物位傳感器輸出無料信號(hào)，此時(shí)PLC 程序邏輯判斷輸出一級(jí)皮帶具備低速運(yùn)行信號(hào)，一級(jí)皮帶的永磁變頻器接收到降速指令，一級(jí)皮帶降至最低速運(yùn)行。同理，二級(jí)、三級(jí)等下游皮帶以同樣方式控制皮帶低速運(yùn)行。當(dāng)破碎站開始供料時(shí)，所有皮帶輸送機(jī)恢復(fù)至正常轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)加速順序?yàn)槟婷毫黜樞颍苑涝斐啥铝稀?/p>

2 智能輸送系統(tǒng)功能

該控制系統(tǒng)通過變頻器及傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的智能調(diào)速。同時(shí)該控制系統(tǒng)通過PLC 及上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)，調(diào)度平臺(tái)畫面可實(shí)時(shí)顯示皮帶機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、帶速、軸溫等重要參數(shù)的變化。本控制系統(tǒng)有如下5 種主要功能:

2.1 智能調(diào)速功能

輸送系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用永磁變頻驅(qū)動(dòng)，由于變頻器的調(diào)速功能，使得皮帶轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)0～4.5 m/s 線性變化，在自動(dòng)控制的情形下，皮帶速度據(jù)皮帶和破碎站受料斗的物料情況降為0 m/s，恢復(fù)供料，從0～4.5 m/s 逐漸加速。在手動(dòng)控制情況下，檢修工可根據(jù)實(shí)際情況（如更換皮帶、動(dòng)態(tài)檢查滾筒等），將皮帶速度調(diào)節(jié)至任意速度（0～4.5 m/s），更方便實(shí)現(xiàn)檢修。同時(shí)該調(diào)節(jié)功能有遠(yuǎn)程和就地兩種方式：遠(yuǎn)程方式下，集控員配合遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備和物料傳感器通過上位機(jī)畫面進(jìn)行調(diào)節(jié)；本地控制方式下，檢修工通過就地控制箱進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 節(jié)能降耗功能

該輸煤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有節(jié)能降耗的功能，表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面采用永磁變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，較傳統(tǒng)的異步電機(jī)+液力偶合器+減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式來說，驅(qū)動(dòng)連接方式更加簡(jiǎn)單，無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，相對(duì)來說負(fù)載負(fù)荷量更小，使得設(shè)備的輸出效率更高，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持94%以上的效率。同時(shí)由于永磁電機(jī)獨(dú)特的機(jī)械設(shè)計(jì)，使得變頻永磁同步電機(jī)功率因數(shù)可達(dá)0.96，傳統(tǒng)三相異步電機(jī)功率因數(shù)為0.75～0.95。另一方面，對(duì)輸煤皮帶智能調(diào)速控制的應(yīng)用，在卡車不連續(xù)供煤工況下，皮帶輸送機(jī)的空轉(zhuǎn)率大幅減少。另外，由于皮帶輸送機(jī)采用的永磁變頻驅(qū)動(dòng)都為大功率高壓電機(jī)，設(shè)備耗電量和設(shè)備損耗也將大幅下降，設(shè)備低速運(yùn)行下的輸出功率與設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)的輸出功率比為1∶4，因此降低空轉(zhuǎn)率對(duì)于節(jié)約系統(tǒng)耗電量影響很大。同時(shí)永磁變頻系統(tǒng)對(duì)于多驅(qū)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)功率精確自動(dòng)平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，使得多驅(qū)動(dòng)間相互的制動(dòng)能耗降到最低。

2.3 提高生產(chǎn)效率

生產(chǎn)效率指標(biāo)在原煤輸送中指的是單位時(shí)間的噸煤產(chǎn)量，在露天供煤不足或上煤不連續(xù)的情況下，經(jīng)常會(huì)造成皮帶輸送機(jī)無料空轉(zhuǎn)，小時(shí)噸煤量因?yàn)樵O(shè)備空轉(zhuǎn)而較低，通過系統(tǒng)無料自動(dòng)降速，大大減少了系統(tǒng)皮帶的空轉(zhuǎn)時(shí)間，生產(chǎn)效率大幅提升。另外噸煤電耗對(duì)于選煤廠原煤輸送也是一個(gè)重要的生產(chǎn)指標(biāo)，設(shè)備低速運(yùn)行時(shí)耗電量處于較低水平，再加上永磁變頻驅(qū)動(dòng)本身的低耗電性能，噸煤電耗指標(biāo)也保持在較低值。

2.4 連鎖預(yù)警功能

皮帶輸送機(jī)在智能調(diào)速過程中會(huì)出現(xiàn)上下級(jí)皮帶不同速情況，極易造成堵料事故，因此對(duì)各級(jí)皮帶的運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為必要。該系統(tǒng)的控制層接受現(xiàn)場(chǎng)皮帶的實(shí)時(shí)速度并結(jié)合皮帶的料位情況，給出堵料預(yù)警信號(hào)，一旦出現(xiàn)堵料情況，及時(shí)報(bào)警停止上級(jí)皮帶，同時(shí)將報(bào)警信息呈現(xiàn)在調(diào)度集控畫面上，反映給集控操作員。同時(shí)集中控制系統(tǒng)可讀取各級(jí)皮帶的實(shí)時(shí)反饋頻率，通過PLC 程序比較和邏輯判斷，可智能對(duì)比上下級(jí)皮帶的輸出反饋頻率，報(bào)出差速報(bào)警，及時(shí)預(yù)警停車。

2.5 動(dòng)態(tài)展示功能

調(diào)度集控平臺(tái)組態(tài)畫面將現(xiàn)場(chǎng)的皮帶輸送系統(tǒng)建立模型，現(xiàn)場(chǎng)傳回的各類信號(hào)經(jīng)過處理圖形化動(dòng)態(tài)的顯示于模型中，可顯示皮帶永磁變頻驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行信號(hào)（電流、電壓、頻率、流量等），傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)（料位、瞬時(shí)煤量、物料信號(hào)等），系統(tǒng)運(yùn)行情況（啟停、連鎖、備妥等），還可顯示相關(guān)的故障信號(hào)（皮帶五保故障信號(hào)、低位報(bào)警、變頻器故障信號(hào)、失速報(bào)警等），同時(shí)故障信號(hào)還與現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)現(xiàn)故障聯(lián)動(dòng)，出現(xiàn)故障自動(dòng)彈出故障點(diǎn)附近視頻。除此之外調(diào)度集控畫面還可對(duì)各項(xiàng)參數(shù)提供歷史數(shù)據(jù)查詢和歷史報(bào)警記錄、報(bào)警打印和數(shù)據(jù)打印功能。

3 結(jié)論

目前，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，行業(yè)內(nèi)自動(dòng)化相關(guān)應(yīng)用也日漸成熟，智能化選煤廠的建設(shè)向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動(dòng)化的方向邁進(jìn)。以上介紹了智能皮帶輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)組成與工作原理，智能輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，以施耐德PLC 控制系統(tǒng)為其控制層，結(jié)合設(shè)備和傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、工程模擬量、故障等呈現(xiàn)給管理層，方便集控操作人員執(zhí)行操作。調(diào)度集控平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)，很大程度上提高了現(xiàn)場(chǎng)的安全指數(shù)，同時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器等自動(dòng)化產(chǎn)品的應(yīng)用也降低了人工成本和故障率。系統(tǒng)的低料降速功能大幅提高原煤輸送系統(tǒng)生產(chǎn)效率，一定程度上實(shí)現(xiàn)減員增效的目的，對(duì)于選煤廠企業(yè)高效發(fā)展起到了促進(jìn)作用。