帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)研究

侯治夏

（汾西礦業(yè)高陽煤礦，山西 孝義 032300）

引言

帶式輸送機(jī)輸是煤礦井下主要運(yùn)輸設(shè)備，為了滿足煤炭、矸石等外運(yùn)需要，帶式輸送機(jī)一般按照最大運(yùn)量方式配置減速器、電動(dòng)機(jī)以及輸送帶等，從而導(dǎo)致“大馬拉小車”情況普遍存在[1-2]。采掘作業(yè)面受到煤層賦存條件、煤炭開采管理等各種因素制約，由于煤（矸）產(chǎn)量不穩(wěn)定，帶式輸送機(jī)負(fù)載常處于波動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)絕大多數(shù)時(shí)間處于輕載、空載，若帶式輸送機(jī)仍按照最大負(fù)載高速運(yùn)行，不僅會導(dǎo)致帶式輸送機(jī)能耗增加而且會加劇設(shè)備磨損[3-6]。因此，選用合適的帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)，依據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，不僅可滿足煤（矸）等外運(yùn)需求，而且可降低帶式輸送機(jī)能耗。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)直接影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及可靠性，由于礦井井下環(huán)境惡劣，因此對運(yùn)行速度控制系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性以及可靠性等有較高要求；同時(shí)選用的硬件設(shè)備應(yīng)于井下現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相兼容[7]。在分析礦井井下控制系統(tǒng)以及研究研究、工程應(yīng)用成果基礎(chǔ)上，運(yùn)行速度控制系統(tǒng)主控制器選擇使用S7-1214PLC。具體帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，帶式輸送機(jī)原本就配置有各項(xiàng)保護(hù)傳感器，為此運(yùn)行速度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要應(yīng)集中在PLC控制系統(tǒng)，運(yùn)行速度、功率、煤量監(jiān)測及變頻器運(yùn)行控制等方面。

從圖1看出，控制系統(tǒng)核心為PLC控制器，PLC控制器向上位機(jī)傳輸監(jiān)測參數(shù)并接收上位機(jī)控制信號，通過變頻器調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度調(diào)節(jié)；速度傳感器、皮帶秤以及功率采集模塊等分別向PLC控制器傳輸輸送機(jī)帶運(yùn)行速度、煤流量、電機(jī)及變頻器運(yùn)行參數(shù)等，各項(xiàng)安全監(jiān)測傳感器可實(shí)現(xiàn)堆煤、高溫、跑偏等監(jiān)測。

圖1 運(yùn)行速度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件是將運(yùn)行速度控制系統(tǒng)各硬件串聯(lián)成一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理、控制指令發(fā)送及執(zhí)行等。本次重點(diǎn)對運(yùn)行速度控制系統(tǒng)PLC控制程序以及上位機(jī)程序等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 PLC控制程序

PLC控制程序包括有啟動(dòng)程序、調(diào)速程序以及綜合保護(hù)程序等。

1）啟動(dòng)程序。為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)以及啟動(dòng)初期穩(wěn)定性，變頻器選用“S”型啟動(dòng)方式，在啟動(dòng)初始階段運(yùn)行速度緩慢，持續(xù)10 s后開始快速加速，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)則保持恒速運(yùn)行，向PLC控制器不斷發(fā)出帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)速信號，從而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)。

2）調(diào)速程序。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中若頻繁調(diào)整運(yùn)行速度，不僅會導(dǎo)致帶式輸送機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定而且會導(dǎo)致變頻器、電動(dòng)機(jī)故障發(fā)生率增高、帶式輸送機(jī)能耗增大。因此，在設(shè)計(jì)調(diào)速程序時(shí)，將按照運(yùn)輸煤流量大小分為n區(qū)不連續(xù)區(qū)段，每個(gè)煤流量區(qū)段對應(yīng)一個(gè)運(yùn)行速度，根據(jù)皮帶秤獲取到煤流量來確定帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，在滿足煤炭運(yùn)輸同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，達(dá)到降低能耗以及設(shè)備磨損目的；當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿毫髁砍^額定載荷時(shí)，控制系統(tǒng)即會發(fā)出超限預(yù)警，并停止帶式輸送機(jī)運(yùn)行。具體運(yùn)行速度控制系統(tǒng)調(diào)速程序流程圖如圖2所示。

圖2 調(diào)速程序流程圖

3）綜合保護(hù)程序。帶式輸送機(jī)是連續(xù)運(yùn)行的高功率設(shè)備，保證帶式輸送機(jī)可靠運(yùn)行對提高煤礦生產(chǎn)安全具有重要意義。文中提出的帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)通過帶式輸送機(jī)沿線布置的各類安全監(jiān)測傳感器實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，安全監(jiān)測傳感器便會向PLC控制器輸送監(jiān)測型號，并依據(jù)故障類型自動(dòng)確定發(fā)出故障警報(bào)或者緊急停機(jī)信號，確保帶式輸送機(jī)可安全運(yùn)行，并為后續(xù)維護(hù)、維修提供指導(dǎo)。

1.2.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)通過以太網(wǎng)以PLC控制器進(jìn)行通信，并通過上位機(jī)操作界面作業(yè)人員可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行控制。上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)包括有監(jiān)控界面、數(shù)控管理以及系統(tǒng)管理等。

2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

山西某礦3200運(yùn)輸斜巷使用的帶式輸送機(jī)型號為DTL120/120/3×280，運(yùn)輸長度1 689 m、運(yùn)輸傾角15°，提升高度共計(jì)45 m，輸送帶為ST/S1600，帶寬1 200 m，額定運(yùn)行速度3.15 m/s、額定運(yùn)量1 200 t/h。將帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用后，為掌握運(yùn)行速度控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，對恒速（額定運(yùn)行速度）以及運(yùn)行速度調(diào)節(jié)兩種模式下的能耗、速度等監(jiān)測，具體結(jié)果見表1。

從表1中看出，帶式輸送機(jī)按照原控制方式（額定運(yùn)行速度）、運(yùn)行速度控制方式下，1周內(nèi)的煤炭運(yùn)輸量基本保持一致，而額定運(yùn)行速度控制方式下帶式輸送機(jī)運(yùn)行1周總能耗為90 884 kW·h、運(yùn)行速度控制系統(tǒng)使用后運(yùn)行1周總能耗為75 441 kW·h。采用運(yùn)行速度控制系統(tǒng)后帶式輸送機(jī)能耗整體降幅可達(dá)到17%，同時(shí)煤炭運(yùn)輸量基本保持一致，表明文中所提的運(yùn)行速度控制系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用效果。

表1 帶式輸送機(jī)不同控制方式下能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)語

隨著礦井采掘范圍增加以及大功率、自動(dòng)化采掘設(shè)備應(yīng)用推廣，采煤工作面回采推進(jìn)距離、斜長等均有所增加，單面煤炭產(chǎn)量也明顯提升。目前，雖然帶式輸送機(jī)鋪設(shè)長度、運(yùn)輸載荷等均有所增大，但是現(xiàn)階段帶式輸送機(jī)雖采用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，功能未全部發(fā)揮。

文中就依據(jù)礦井煤炭運(yùn)輸現(xiàn)狀，提出使用運(yùn)行速度控制系統(tǒng)控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行，并對輸送機(jī)帶運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)功能需要，對系統(tǒng)硬件、軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場工程應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)可滿足礦井煤炭運(yùn)輸需求，同時(shí)帶式輸送機(jī)能耗較額定運(yùn)行速度模式降低約17%，取得較好應(yīng)用成果。