礦用帶式輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用研究

陳 斐，趙亞玲

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運輸?shù)缺姸鄡?yōu)勢，在散裝物料運輸中具有非常廣泛的應(yīng)用[1]。在煤礦開采與運輸過程中，帶式輸送機(jī)是比較重要的運輸裝備，其運行過程的可靠性對煤礦開采效率有重要的影響[2]。對于普通的帶式輸送機(jī)，為了提升設(shè)備運行過程的穩(wěn)定性，通常都設(shè)計有一定的安全裕量，即電機(jī)功率相對較大[3]。導(dǎo)致電機(jī)長時間處于高功率運行狀態(tài)，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。帶式輸送機(jī)長時間處于這種運行狀態(tài)，不僅浪費了大量的電力能源，還加劇了設(shè)備零部件的損耗，增加了設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)成本[4]。針對該問題，目前很多技術(shù)人員和學(xué)者開展了相關(guān)的研究，基于變頻調(diào)速技術(shù)對帶式輸送機(jī)的運行過程進(jìn)行控制，在實踐中取得了一定的應(yīng)用效果，顯著提升了礦用帶式輸送機(jī)的自動化水平[5]。本文主要以某煤礦中使用的帶式輸送機(jī)為對象，充分結(jié)合實際情況設(shè)計研究了設(shè)備的自動控制系統(tǒng)。實踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)取得了很好的效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)概述

某煤礦企業(yè)每年生產(chǎn)的煤礦物料達(dá)到了200萬t，帶式輸送機(jī)是該煤礦中重要的運輸機(jī)械裝備。由于每年輸送的煤炭量較多，對煤炭運輸過程提出了相對較高的要求。本文主要以其中比較典型的DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)中為對象進(jìn)行介紹，帶式輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，帶式輸送機(jī)主要由驅(qū)動滾筒、改向滾筒、張緊裝置、上托輥、下托輥、膠帶等部分構(gòu)成[6]。由電動機(jī)提供動力來源，電機(jī)輸出的動力經(jīng)傳動系統(tǒng)傳輸?shù)絺鲃訚L筒中，傳動滾筒通過摩擦力驅(qū)動膠帶發(fā)生運動；換向滾筒的作用是改變膠帶的運動方向，實現(xiàn)循環(huán)往復(fù)運動；張緊裝置的作用是確保膠帶與驅(qū)動滾筒、換向滾筒之間緊密接觸，確保有足夠的摩擦力。

圖1 帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of belt conveyor

帶式輸送機(jī)的驅(qū)動滾筒和換向滾筒分別安裝在機(jī)頭部位和機(jī)尾部位。由圖1可知，機(jī)頭部位設(shè)置了2個驅(qū)動滾筒，其中1根滾筒兩側(cè)分別安裝1臺防爆異步電動機(jī)，另外一根滾筒的兩側(cè)分別安裝1臺防爆異步電動機(jī)和1臺制動器。3臺YBPS450-4型異步電動機(jī)功率為630 kW。制動器屬于盤式制動器，型號為SHI202/D2000，緊急情況下可以通過制動器對設(shè)備進(jìn)行制動處理，具有很好的效果。

目前，該型號帶式輸送機(jī)運行時存在的主要問題：①啟動過程屬于“硬啟動”，對設(shè)備造成了一定程度的沖擊；②設(shè)備無法根據(jù)實際運輸?shù)拿旱V物料對運行速度進(jìn)行調(diào)整，存在能源浪費的現(xiàn)象。

2 整體方案設(shè)計

自動控制系統(tǒng)的整體方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出，整個控制系統(tǒng)主要由變頻器、配電柜、專業(yè)檢測傳感器、PLC控制器、交換機(jī)、上位機(jī)以及工業(yè)以太網(wǎng)等部分構(gòu)成。針對帶式輸送機(jī)中的三部異步電動機(jī)，每臺電機(jī)均配備了對應(yīng)的變頻器(型號為6ES71)。利用專業(yè)的傳感器對電動機(jī)的耗電量、帶式輸送機(jī)膠帶的運行速度以及輸送的煤流量大小進(jìn)行實時監(jiān)測，將獲得的結(jié)果傳輸?shù)絇LC控制器中?？刂破鲗Ω鳡顟B(tài)參量進(jìn)行分析與對比，如果發(fā)現(xiàn)互相不協(xié)調(diào)、不匹配，則會下達(dá)控制指令，調(diào)節(jié)變頻器的電壓輸出頻率，進(jìn)而調(diào)整異步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)煤流量和運行速度之間的匹配。

圖2 整體方案結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of overall scheme

利用自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動，系統(tǒng)中內(nèi)置的是S形曲線啟動模式，這樣可以降低啟動過程中對設(shè)備造成的沖擊[7]。其中，電機(jī)運行時的功率和電流可以基于功率采集模塊進(jìn)行收集、輸送的煤流量可以基于電子膠帶秤進(jìn)行檢測，膠帶運行速度可以利用速度傳感器進(jìn)行檢測。

由圖2可知，帶式輸送機(jī)的主要供電線路為三臺配電柜，每臺配電柜對應(yīng)1個變頻器，配電柜中輸出的電壓和頻率分別為660 V和50 Hz。對于整個自動控制系統(tǒng)而言，PLC控制器是最為核心和關(guān)鍵的部分，上位機(jī)與控制器之間基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，同時控制器還要與變頻器基于Profibus通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。自動控制系統(tǒng)正常工作時，上位機(jī)可以向PLC控制器下達(dá)控制指令，PLC控制器將指令傳輸?shù)阶冾l器中，改變輸出電壓的頻率，進(jìn)而實現(xiàn)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。基于傳感器獲得的數(shù)據(jù)信息會實時輸送到PLC控制器，再輸送到上位機(jī)系統(tǒng)中，并通過顯示屏進(jìn)行顯示，工作人員可以實時掌握帶式輸送機(jī)的運行狀態(tài)信息。所有傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中的數(shù)據(jù)都會存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)調(diào)取查閱。

3 硬件部分設(shè)計

帶式輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)是一項非常復(fù)雜的項目，涉及到多方面的內(nèi)容，使用了不同形式的硬件設(shè)施。自動控制系統(tǒng)中最重要的硬件設(shè)施構(gòu)成情況如圖3所示。以下主要對這些硬件設(shè)施進(jìn)行介紹。

圖3 主要硬件部分構(gòu)成Fig.3 Main hardware components

3.1 PLC控制器

PLC控制器是整個自動控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，其性能好壞會對整個系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性產(chǎn)生非常重要的影響[8]。在充分分析目前市場上已有的PLC控制器類型及性能的基礎(chǔ)上，最終結(jié)合實際情況選用S7-1200型PLC控制器?？刂破鞯腃PU模塊型號為1214C DC/DC/DC，該模塊的數(shù)字量輸入接口、數(shù)字量輸出接口和模擬量輸入接口的數(shù)量分別為14、10和2，完全能夠滿足該系統(tǒng)的實際使用需要。數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換模塊型號為SM1221 DI8×24V DC，控制器中使用了2種類型的通信模塊，型號分別為CM1243-5和CM1241，其中前者主要是基于Profibus通信協(xié)議實現(xiàn)控制器與變頻器之間的通信，而后者不僅支持Profibus通信協(xié)議，同時也支持RS422和RS485通信協(xié)議，利用該模塊可以實現(xiàn)控制器與各種傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。電源模塊的型號為PM1207，此模塊可以將外部電源轉(zhuǎn)換成為24 V DC電源，為PLC控制器的各個模塊進(jìn)行供電，實現(xiàn)PLC控制器的穩(wěn)定運行。

3.2 變頻器

自動控制系統(tǒng)中為3臺電動機(jī)分別配備了變頻器，為了確保PLC控制器與變頻器之間的兼容性，選用的變頻器型號為6ES71。該變頻器的額定功率、額定電流和額定輸入電壓分別為800 kW、860 A和660～690 V，允許的最大瞬時電流可以達(dá)到1 170 A。當(dāng)前階段，變頻器普遍采用的是直—交—直變頻模式，整個變頻過程共包含3大部分內(nèi)容，分別為整流、中間直流和逆變環(huán)節(jié)[9]。此變頻模式又可以進(jìn)一步分為3種變頻控制方法：①基于逆變器對頻率進(jìn)行調(diào)整，基于可控整流器對電壓進(jìn)行調(diào)整；②在第1種控制方法的基礎(chǔ)上增加二極管進(jìn)行整流處理；③基于PWM逆變器同時對頻率和電壓進(jìn)行調(diào)整，同時配合使用二極管進(jìn)行整流處理。已有的實踐經(jīng)驗表明，最后一種控制方法具有更加顯著的優(yōu)勢，能在一定程度上提升功率因素，規(guī)避電力能源的浪費問題，在實踐應(yīng)用中也更加廣泛。PWM變頻器的主電路框圖如圖4所示。從圖4中可以看出，主電路同樣主要由3個環(huán)節(jié)構(gòu)成，即整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。

圖4 PWM變頻器的主電路Fig.4 Main circuit of PWM inverter

3.3 主要檢測傳感器

(1)電子膠帶秤。電子膠帶秤的作用是對膠帶上輸送的煤礦物料流量進(jìn)行檢測，目前電子膠帶秤的類型有多種，這里選用ICS-ST型裝置，該裝置檢測得到的煤礦物料流量誤差可以控制在0.25%～1.00%，精度較高。整個裝置主要由4大部分構(gòu)成，分別為支架、速度傳感器、重量傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊。由傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息利用采集模塊進(jìn)行收集并分析，重量與速度的比值即為煤礦流量?？紤]到煤礦工作環(huán)境的復(fù)雜性，所有使用的元器件全部為本質(zhì)安全型。基于RS485通信模式實現(xiàn)與PLC控制器之間的數(shù)據(jù)交互。ICS-ST型電子膠帶秤的允許運行速度和稱重范圍分別為0.1～5.0 m/s和10～10 000 t/h，可以滿足實際使用要求。

(2)速度傳感器。速度傳感器的作用是對膠帶的運行速度進(jìn)行實時采集[10]。其檢測原理是在驅(qū)動滾筒的輪軸上，以軸心為圓心均勻地布置永久磁鐵片，然后將GSH5型速度傳感器固定在驅(qū)動滾筒附近的支架上。驅(qū)動滾筒帶動永久磁鐵片做旋轉(zhuǎn)運動，傳感器固定不動，磁鐵片每經(jīng)過傳感器附近時就會產(chǎn)生一個脈沖信號，基于霍爾原理可以計算得到驅(qū)動滾筒的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)一步可以求得驅(qū)動滾筒表面的線速度，即膠帶的運行速度。

(3)功率采集模塊。此模塊的作用是對3臺電動機(jī)運行過程中產(chǎn)生的電力信息進(jìn)行采集，包括功率、電流和電壓等數(shù)據(jù)。采集得到的數(shù)據(jù)信息基于RS232或者RS485通信模式傳入到PLC控制器中。結(jié)合實際情況選用的功率采集模塊型號為EDA9033A。

4 軟件部分設(shè)計

在帶式輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)中，硬件是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，但是硬件都是單獨的個體，需要通過軟件將不同的硬件串聯(lián)起來，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制系統(tǒng)的各項功能。

4.1 PLC控制器的軟件程序

(1)啟動時的軟件程序。PLC控制器的軟件程序在TIA Portal軟件中實現(xiàn)。帶式輸送機(jī)啟動階段工作流程如圖5所示。為了避免設(shè)備啟動階段速度突變對零部件造成的損傷，該自動控制系統(tǒng)中內(nèi)置了S形曲線啟動模式。設(shè)備在啟動階段會按照內(nèi)置的程序進(jìn)行啟動，可有效規(guī)避啟動時造成的沖擊，降低設(shè)備運行的故障率。

圖5 帶式輸送機(jī)啟動階段工作流程Fig.5 Work flow chart of belt conveyor in start-up phase

(2)穩(wěn)定運行時速度調(diào)控程序。實際煤礦開采過程中，開采得到的煤礦物料質(zhì)量并不是固定不變的，而是隨時間發(fā)生變化。設(shè)計的自動控制系統(tǒng)對速度的調(diào)整如果過于靈敏，會導(dǎo)致帶式輸送機(jī)時刻處于速度調(diào)整狀態(tài)，不利于設(shè)備的穩(wěn)定運行?；诖?，按照輸送的煤流量大小將其劃分成為不同的區(qū)間，每個煤流量區(qū)間對應(yīng)一個膠帶運行速度。

帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運行時速度控制的工作流程如圖6所示。自動控制系統(tǒng)開始運行以后，會對膠帶輸送的煤流量大小進(jìn)行實時檢測，并將檢測結(jié)果傳入到PLC控制器中進(jìn)行分析，判斷所處的煤流量區(qū)間。然后根據(jù)所處區(qū)間大小給出對應(yīng)的膠帶運行速度，并下發(fā)控制指令驅(qū)動變頻器輸出對應(yīng)的電壓頻率，對電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。如果檢測得到的煤流量大小超過了系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值，系統(tǒng)會向外發(fā)出警報，同時自動控制帶式輸送機(jī)停機(jī)，避免過大的煤流量對設(shè)備造成不可挽回的損害，甚至可能引發(fā)的安全生產(chǎn)事故。

圖6 帶式輸送機(jī)速度控制工作流程Fig.6 Work flow chart of belt conveyor speed control

4.2 上位機(jī)的軟件程序

上位機(jī)不僅可以對帶式輸送機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，也可以從上位機(jī)中下達(dá)控制指令，對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)的軟件程序在WinCC 7.3組態(tài)軟件中完成。上位機(jī)的軟件部分主要包含3大部分內(nèi)容，分別為系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控界面。

系統(tǒng)管理的內(nèi)容主要是整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，并且對用戶進(jìn)行管理，包含管理人員賬戶和值班管理賬戶。為了確保系統(tǒng)的安全，不同層級的用戶具有對應(yīng)的安全等級，能查看的內(nèi)容也存在一定差異。數(shù)據(jù)管理的作用是對帶式輸送機(jī)運行過程中的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以及操作記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，所有數(shù)據(jù)歸類后存儲到數(shù)據(jù)庫中?；跀?shù)據(jù)管理程序還可以對以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。監(jiān)控界面的作用是將采集得到的信息在顯示屏中實時顯示，并且是將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡要處理后以可視化的形式呈現(xiàn)，方便工作人員快速掌握設(shè)備的運行狀態(tài)。

5 應(yīng)用效果評價

根據(jù)以上設(shè)計的技術(shù)方案，將其部署到某煤礦中的DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)中。對系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行了實踐測試，發(fā)現(xiàn)整體運行良好，整個測試期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。在啟動階段，帶式輸送機(jī)能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的S形曲線方式啟動，有效規(guī)避了啟動階段速度突變對設(shè)備零部件造成的沖擊。在穩(wěn)定運行階段，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)實際輸送的煤流量大小，對電機(jī)運行速度進(jìn)行調(diào)整控制。對自動控制系統(tǒng)運行前后連續(xù)7天的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖7和圖8所示，其中前者記錄的是自動控制系統(tǒng)運行前的數(shù)據(jù)，后者記錄的是系統(tǒng)運行后的數(shù)據(jù)。

圖7 帶式輸送機(jī)恒速運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)Fig.7 Data generated when the belt conveyor is running at a constant speed

從圖7和圖8中可以看出，帶式輸送機(jī)在未使用自動控制系統(tǒng)前，連續(xù)7 d內(nèi)設(shè)備的耗電量依次為2.48、2.54、2.52、2.54、2.57、2.60、2.62 kWh/t，平均值為2.55 kWh/t。在使用了自動控制系統(tǒng)后，連續(xù)7 d內(nèi)設(shè)備的噸煤耗電量依次為2.02、1.99、2.01、2.03、1.96、2.05、2.01 kWh/t，平均值為2.01 kWh/t。對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，通過使用自動控制系統(tǒng)，設(shè)備的噸煤耗電量有了一定程度的降低，降低幅度為21.28%，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的電費；另一方面，通過使用自動控制系統(tǒng)，帶式輸送機(jī)的運行穩(wěn)定性有了一定程度的提升，降低了設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)成本，同樣創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 自動控制運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)Fig.8 Data generated when belt conveyor automatically controls the operation

6 結(jié)論

本文主要以DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)為對象，對其自動控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析和研究，所得結(jié)論主要如下。

(1)自動控制系統(tǒng)為帶式輸送機(jī)中的3臺電機(jī)分別配備了變頻器，利用專業(yè)的傳感器對膠帶輸送的煤流量及其運行速度進(jìn)行實時檢測?；跈z測結(jié)果對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，確保設(shè)備實際運行速度與煤流量相匹配。另外，基于控制系統(tǒng)還可以實現(xiàn)設(shè)備的軟啟動。

(2)系統(tǒng)中使用的PLC控制器和變頻器型號分別為S7-1200和6ES71，具有很好的兼容性，簡要介紹了系統(tǒng)中使用的專業(yè)傳感器。對PLC控制器和上位機(jī)中的軟件程序進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

(3)將設(shè)計的自動控制系統(tǒng)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)工程實踐中，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)整體運行良好，未出現(xiàn)明顯的故障問題。通過對自動控制系統(tǒng)運行前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，可以節(jié)省能源21.28%左右，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。