礦用帶式輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李麗娜

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 概 況

帶式輸送機(jī)是煤礦開采中重要的運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定性對煤礦開采效率有非常重要的影響。帶式輸送機(jī)作為使用量比較多、使用時間較長的機(jī)電裝備，其能耗大小會對煤礦的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大影響。目前很多煤礦中使用的帶式輸送機(jī)無法對速度進(jìn)行調(diào)整，以恒定速度運(yùn)行，當(dāng)輸送的煤礦物料重量發(fā)生變化時，不僅會影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，還會造成能源浪費(fèi)?；诖耍Y(jié)合經(jīng)坊煤業(yè)實際情況，對該礦DTL140 型帶式輸送機(jī)的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，確保設(shè)備能根據(jù)輸送物料重量對其速度進(jìn)行自動化調(diào)整，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低運(yùn)行中的能源消耗。

2 制動控制系統(tǒng)整體方案研究

2.1 帶式輸送機(jī)基本情況

經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)皮帶寬度為1.4 m，運(yùn)行時皮帶的速度為4 m/s，煤礦物料輸送速度可以達(dá)到1 800 t/h，帶式輸送機(jī)整體長度為930 m，運(yùn)輸巷道的傾角為19°，同時由2 臺功率為900 kW 的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The main structure diagram of belt conveyor

2.2 自動控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計

結(jié)合經(jīng)坊煤業(yè)實際情況設(shè)計帶式輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)的整體方案，如圖2 所示?？梢钥闯?，為帶式輸送機(jī)中的2 部電機(jī)分別配備了變頻器，變頻器與PLC 控制器進(jìn)行連接，接受PLC 控制器下達(dá)的指令，對輸出的電壓頻率進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)對2 部電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的控制。變頻器與PLC 控制器之間基于Profibus 總線進(jìn)行連接。速度傳感器和轉(zhuǎn)速編碼器分別對帶式輸送機(jī)皮帶的運(yùn)行速度和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。煤量檢測裝置對輸送機(jī)裝載的煤量大小進(jìn)行檢測。傳感器和檢測裝置通過RS485實現(xiàn)與PLC 控制器的連接，將結(jié)果輸入到控制器中進(jìn)行分析。PLC 控制器與監(jiān)控主機(jī)之間基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。所有檢測和分析結(jié)果均需傳入監(jiān)控主機(jī)并存儲到服務(wù)器中，同時監(jiān)控屏幕會顯示帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 自動控制系統(tǒng)整體方案框圖Fig.2 Overall scheme diagram of automatic control system

2.3 系統(tǒng)的主要功能

（1） 系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備輸送的煤礦物料重量大小，對其運(yùn)行速度進(jìn)行自動調(diào)整，確保運(yùn)行速度與煤礦物料重量之間相互匹配，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低設(shè)備運(yùn)行能耗。

（2） 系統(tǒng)可以確保2 部電機(jī)之間的功率平衡，即2 部電機(jī)工作時輸出的功率保持同步，延長電機(jī)使用壽命。

（3） 所有檢測和分析結(jié)果均會存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，可以隨時對相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行查詢。系統(tǒng)能夠以圖表的形式呈現(xiàn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括操作記錄、故障狀態(tài)等信息，方便技術(shù)人員對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

3 自動控制系統(tǒng)的主要硬件設(shè)施選型

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器是自動控制系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的硬件設(shè)施，其性能好壞會對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，結(jié)合實際情況以及以往的工業(yè)實踐經(jīng)驗，選用西門子S7-300 型PLC 控制器。該型號控制器具有無槽位約束、采用模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的礦井環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。S7-300型PLC 控制器的主要硬件模塊如圖3 所示，主要包括CPU 模塊、數(shù)字量輸入和輸出信號模塊、模擬量輸入信號模塊、以太網(wǎng)通信模塊等。

圖3 S7-300 型PLC 控制器的主要硬件模塊Fig.3 Main hardware modules of S7-300 PLC controller

CPU 模塊是PLC 控制器中最為關(guān)鍵的模塊，CPU 可以進(jìn)一步分為存儲器和微處理器，作用是對用戶程序以及輸入的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲并處理。此次使用的CPU 模塊型號為CPU315-2DP，具有良好的性能，響應(yīng)時間短，可靠性高，完全能夠滿足經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)的實際使用需要?？刂破髟谳敵鲂盘枙r主要以數(shù)字量模式輸出。以太網(wǎng)通信模塊可以實現(xiàn)與控制主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2 檢測裝置設(shè)計

系統(tǒng)采用電子輸送帶稱對皮帶機(jī)輸送的煤礦物料重量進(jìn)行實時檢測，采用SS102K 型電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器對2 部電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，采用GSD-5 型礦用速度傳感器對皮帶的運(yùn)行速度進(jìn)行檢測。以上使用的各類傳感器或檢測裝置均屬于防爆本質(zhì)安全型裝置，可以在復(fù)雜的礦井環(huán)境下工作。需要說明的是，以上檢測裝置獲得的均屬于模擬量信號，需要經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號才能夠輸入到PLC 控制器中進(jìn)行分析。

4 自動控制系統(tǒng)的主要工作流程

為確保帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中兩部電機(jī)功率平衡，根據(jù)其輸送的煤塊重量對運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性并降低能耗，制定了系統(tǒng)的主要工作流程圖，如圖4 所示。

圖4 自動控制系統(tǒng)的工作流程Fig.4 Workflow of automatic control system

系統(tǒng)啟動工作后，開始對皮帶運(yùn)行速度、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速以及皮帶輸送煤量大小進(jìn)行檢測。若輸送的煤量Q 低于設(shè)備的額定輸送容量Qe，系統(tǒng)下達(dá)控制指令，降低變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如果設(shè)備輸送的煤礦重量為額定重量，則需要對2 部電機(jī)的功率大小進(jìn)行分析，如果2 部電機(jī)之間存在功率不平衡的問題，系統(tǒng)會根據(jù)功率不平衡程度下達(dá)控制指令，對2 部電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，確保電機(jī)之間的功率平衡。

5 自動控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用

將設(shè)計的自動控制系統(tǒng)部署到經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)工程實踐中，驗證系統(tǒng)運(yùn)行過程的可靠性和穩(wěn)定性。在實踐中對自動控制系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行現(xiàn)場測試，并對功能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)調(diào)整。結(jié)果表明，在整個運(yùn)行調(diào)試期間，自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程穩(wěn)定、可靠，未出現(xiàn)明顯故障問題，可以對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行自動化控制。

自動控制系統(tǒng)的成功實踐應(yīng)用，使得帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程更加穩(wěn)定，能夠根據(jù)煤礦運(yùn)輸重量對其運(yùn)行速度進(jìn)行自動調(diào)整。初步估計認(rèn)為，其能耗大小與之前相比降低了12%左右。另外，由于設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性提升，降低了設(shè)備故障率，運(yùn)維人員數(shù)量減少了2～3 名，節(jié)省了一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本和維護(hù)人工成本，提升了運(yùn)輸效率。分析認(rèn)為，自動控制系統(tǒng)的投入使用后，每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省100 萬元以上。

6 結(jié) 語

本文主要以經(jīng)坊煤業(yè)DTL140 型帶式輸送機(jī)為對象，結(jié)合煤礦實際情況對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)可以對皮帶輸送的煤量、皮帶速度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。在PLC 控制器和變頻器的綜合作用下，根據(jù)實際輸送煤礦重量，對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和皮帶運(yùn)行速度進(jìn)行控制，保障2 部電機(jī)之間的功率平衡。將自動控制系統(tǒng)部署到工程實踐中，在現(xiàn)場對其各項性能進(jìn)行測驗，取得良好的效果，提升了帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了電能消耗，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。