馬道頭煤礦帶式輸送機智能控制系統(tǒng)設計研究

安海峰

（晉能控股煤業(yè)集團馬道頭煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 概況

馬道頭煤礦位于大同市左云縣小京莊村，設計生產能力4.5 Mt/a，礦區(qū)地表為風積沙地貌，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組。目前礦區(qū)開采5 號煤層，煤層厚度在0.44～25.24 m，平均厚度12.24 m。礦區(qū)主斜井運輸系統(tǒng)配置DSJ80 型帶式輸送機，控制系統(tǒng)控制變頻器恒為40 Hz，無法進行運輸量實時監(jiān)測，更不能實現運輸量實時調節(jié)功能，已經不能滿足生產需求，需進行智能控制系統(tǒng)升級改造[1-8]。

2 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)總設計

馬道頭煤礦使用的DSJ80 型帶式輸送機采用雙筒三驅動的結構實現集中驅動。一級滾筒軸分別通過兩臺YBPS450-4 型變頻防爆電動機帶動，總驅動功率為1420 kW；二級滾筒軸一側采用YBPS450-4型變頻防爆電動機帶動，另一側則安裝SHI202/D2000 型盤式制動器。智能控制系統(tǒng)選擇西門子S7-300 系列的1214C 型PLC 作為系統(tǒng)的核心。DSJ80型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)硬件結構如圖1。

圖1 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)硬件結構圖

速度傳感器采用接近開關，主要對帶式輸送機的運行速度進行實時監(jiān)測。PLC 控制器根據速度監(jiān)測信號按照設定的程度控制器輸出控制信號到變頻器，變頻器實現電動機的變頻控制，空載時起到保護皮帶的作用，運載時根據運載量調節(jié)運輸速度。皮帶秤監(jiān)測皮帶運行中的壓力值，將壓力值轉化為控制系統(tǒng)能識別的電信號后輸入到PLC 控制器，按照邏輯程序控制帶式輸送機的正常運行、停機或過載報警等功能。功率采集模塊采集變頻器和電動機的電信號，通過與PLC 控制器通訊，一方面實現變頻器和電動機的程序控制，另一方面將電信號輸出到上位機，供操作人員實時查看。

3 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 PLC 控制系統(tǒng)設計

（1）輸入輸出點位統(tǒng)計

DSJ80 型帶式輸送機需要3 個數字量輸入點位監(jiān)測3 臺電機的上電狀態(tài)，需要3 個數字量輸入點位監(jiān)視制動器的制動狀態(tài)；按照馬道頭煤礦機電部門控制需求，要對系統(tǒng)進行“遠程”“就地”“檢修”3種控制方式，對應3 個數字量輸入點位；系統(tǒng)保護傳感器的輸入需要9 個數字量輸入點位和3 個模擬量輸入點位（3 個電機的溫度監(jiān)測）；系統(tǒng)安設的速度傳感器采用統(tǒng)計安裝在滾筒邊緣的永磁鐵的旋轉脈沖數來統(tǒng)計速度，需要1 個數字量輸入點位。即系統(tǒng)共需要16 個數字量輸入點位和3 個模擬量輸入點位。數字量點位統(tǒng)計見表1。

表1 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)數字量輸入點位統(tǒng)計表

PLC 輸出點位共為2 個，分別是制動閘控制輸出和打點控制。SHI202/D2000 型盤式制動器通過交流接觸器直接控制，PLC 控制器通過輸出24 V 信號控制直流繼電器的通斷，間接實現對交流接觸器通斷的控制，因此制動閘控制為數字量輸出點位。帶式輸送機在開車時需要打點預警，同樣是PLC 控制器通過輸出24 V 信號控制直流繼電器進行打點。

（2）PLC 功能模塊選型

根據系統(tǒng)統(tǒng)計的輸入和輸出點位數以及系統(tǒng)的控制功能進行功能模塊的選擇。考慮到設計余量和經濟性，DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)PLC 功能模塊選型見表2。

表2 PLC 功能模塊選型表

3.2 變頻器控制系統(tǒng)設計

更換馬道頭煤礦變頻器型號為3 臺西門子6ES71 變頻器。該型號變頻器搭載的SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制功能強大，能實現電機控制的各種功能，同時控制精度很高。通過3 臺變頻器獨立控制3 臺電動機。

3.3 功率監(jiān)測設計

智能控制系統(tǒng)對輸送機運行期間的功率監(jiān)測選用EDA9033A 型功率采集模塊，監(jiān)測對象為控制電機的變頻器，模塊電壓量程為10～500 V（相電壓），電流量程為1～1000 A。系統(tǒng)的有功功率和功率因素等參數通過EDA9033A 模塊計算得出。

4 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)軟件設計

4.1 系統(tǒng)控制功能設計

（1）啟動控制設計

啟動控制設計主要考慮啟動條件和啟動平穩(wěn)兩個要素。系統(tǒng)接收到啟動信號后進行制動狀態(tài)和報警狀態(tài)讀取，確認制動閘打開，系統(tǒng)無報警后進入變頻器啟動狀態(tài)。變頻器啟動采用“S”型方式，即變頻器接收到啟動信號后，先以低頻率運行，在5 s 內緩慢增加輸出頻率，10 s 后快速增加輸出頻率，直到達到運輸量下設定的速度，啟動過程完成。

（2）調速控制設計

智能控制系統(tǒng)對帶式輸送機運行速度的控制按照運載量決定，如果調速系統(tǒng)過于靈敏，會導致系統(tǒng)頻繁調速，帶式輸送機運行速度不斷變化，無法實現有效穩(wěn)定的煤炭輸送作業(yè)。因此系統(tǒng)調速促發(fā)條件設定為煤量區(qū)間，即將運輸煤量劃分為[Q0，Q1]、[Q1，Q2]……[Qn，Qn+1]，不同區(qū)間對應不同的運行速度，降低系統(tǒng)調速靈敏度并保證不同區(qū)間運載量輸送機運輸速度的差異化，節(jié)約電能。如果系統(tǒng)檢測到運載量出現區(qū)間變化，且3 s 后仍為變化后的值，則系統(tǒng)判定運載量檢測值真實有效，否則，不啟動調速程序。系統(tǒng)調速流程設計如圖2。

圖2 調速控制流程設計圖

4.2 上位機軟件設計

DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)上位機選用WinCC7.3 組態(tài)軟件，通過以太網形式實現PLC 與上位機通訊。在上位機上操作人員可以發(fā)出系統(tǒng)指令，監(jiān)控輸送機運行狀態(tài)，還對系統(tǒng)的歷史報警信息和設備運行數據提供歷史查閱功能。如圖3。

圖3 上位機軟件結構框架圖

5 應用效果

馬道頭煤礦將該智能控制系統(tǒng)安裝調試應用在了2115 工作面開采輸送中，分別設定系統(tǒng)的調速運行和恒速運行兩種模式。調速模式下系統(tǒng)根據輸送帶上運載量能夠自動調節(jié)運行速度，調速效果明顯；恒速模式下系統(tǒng)可以按照操作人員設定的運行速度自動運行，運載量超過設定速度下的額定運載量時，系統(tǒng)報警停機，上位機顯示狀態(tài)準確。

為驗證調速模式控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，分別統(tǒng)計恒速和調速控制模式下運載量和電能消耗，恒速模式設定輸送機運行速度為5.12 m/s，結果見表3。

表3 恒速與調速模式下運載量和電耗統(tǒng)計表

通過兩種模式運行效率對比可以看出，恒速模式下每運輸1 t 煤炭，消耗電能為2.564 7 kW·h，而調速模式下每運輸1 t 煤炭，消耗電能為2.004 5 kW·h，節(jié)約電能約21%，節(jié)能效果明顯。

6 結語

對馬道頭煤礦主斜井運輸系統(tǒng)DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，提升輸送機智能化控制程度，降低耗能，分析了系統(tǒng)硬件和軟件設計，通過本文研究形成以下結論：

（1）智能控制系統(tǒng)能夠實現上位機遠程控制、調速模式運行、恒速模式運行、輸送機狀態(tài)監(jiān)測以及運行故障報警和連鎖控制功能。

（2）結合馬道頭煤礦實際運載情況，為了避免智能控制系統(tǒng)頻繁調速帶式輸送機，采用了按照運載量區(qū)間作為調速控制促發(fā)條件的設定，并增加了3 s 判定規(guī)則，防止調速系統(tǒng)誤調整。

（3）為了驗證調速模式控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，對比了恒速控制模式和調速控制模式下單位運載量的電耗。調速模式下，節(jié)約電能21%，節(jié)能效果明顯。