PLC控制器在煤礦帶式輸送機中的應用研究

黨小煒

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

帶式輸送機以及顯著的優(yōu)勢在煤礦領域有廣泛的應用，煤礦工作面中利用采煤機開采獲得的煤塊，需要利用帶式輸送機進行輸送，具有很高的運輸效率[1]。一般而言，煤礦開采時帶式輸送機需要長時間連續(xù)運行，是礦井中比較典型的耗能裝備[2]。近年我國向世界承諾，在未來幾十年內(nèi)要達到碳達峰和碳中和。在這樣的背景下，節(jié)能減排政策的壓力越來越大。帶式輸送機作為礦井中耗能較大的裝備，采取有效措施降低運行中的能耗是煤礦企業(yè)急需解決的問題[3]。節(jié)能降耗不僅是響應國家號召的重要表現(xiàn)形式，也是降低企業(yè)運行成本的重要手段[4]。本文基于先進的PLC控制器設計了礦用帶式輸送機控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)煤炭實際輸送量對速度進行調(diào)整，從而達到節(jié)能降耗的效果。

1 帶式輸送機及問題概述

1.1 帶式輸送機

帶式輸送機是煤礦中比較重要的輔助運輸裝備，本文以煤礦中使用的DTL120/150/2×200型帶式輸送機為對象進行研究，帶式輸送機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，帶式輸送機主要由拉緊裝置、驅(qū)動裝置、清掃裝置、托輥以及輸送帶等部分構(gòu)成[5]。其中輸送帶的作用是對煤塊物料進行支撐，實現(xiàn)物料的運輸，驅(qū)動裝置的作用是在電機的驅(qū)動下帶動膠帶做循環(huán)往復運動，拉緊裝置的作用是確保膠帶與驅(qū)動滾筒之間有足夠的摩擦力，實現(xiàn)動力傳輸，托輥的作用是對膠帶進行支撐，清掃裝置的作用是對灑落的煤塊物料進行清掃，避免對輸送機的運行過程造成不良影響。

圖1 帶式輸送機整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Overall structure diagram of belt conveyor

1.2 存在的問題分析

煤礦工作面利用采煤機開采獲得的煤塊物料需要及時通過帶式輸送機輸送到指定位置，所以煤礦開采時帶式輸送機需要長時間連續(xù)運行。但是傳統(tǒng)的帶式輸送機沒有配備變頻器，導致設備需要長時間連續(xù)高速運轉(zhuǎn)[6]。煤礦開采過程是不連續(xù)的，實際開采得到的煤炭量隨時間不斷變化。如果帶式輸送機長時間以最高速度運行，會造成電力能源浪費，不滿足我國節(jié)能減排的基本政策。煤礦工作面的環(huán)境較為復雜，帶式輸送機工作時如果遇到特殊情況，需要對設備進行停機檢查無誤后再啟動，此時屬于重載啟動，啟動過程會對設備和供電網(wǎng)絡造成很大的沖擊[7]。研究對象同時由兩部電機驅(qū)動，如何確保兩部電機之間的功率平衡是需要解決的問題。另外，根據(jù)我國的用電政策，在夜間低谷期用電時的電價較為便宜，在白天高峰期用電時的電價相對較高，如果控制系統(tǒng)不加以區(qū)別對待，會在一定程度上增加煤礦企業(yè)的電費支出。

2 節(jié)能系統(tǒng)方案設計

2.1 整體方案設計

考慮到帶式輸送機是煤礦中比較重要的耗能裝備，為了在最大限度上降低設備的能耗大小，在充分結(jié)合實際情況的基礎上，利用PLC控制器設計了帶式輸送機的節(jié)能系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)工作時，首先需要利用各類傳感器對輸送機的運行速度、煤礦物料供給速度以及煤倉中的煤量進行實時檢測，所有檢測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇LC控制器中進行分析處理?？刂破鞲鶕?jù)檢測結(jié)果以及內(nèi)置的優(yōu)化算法程序，判斷帶式輸送機與煤礦供給速度的匹配程度，同時考慮煤倉中的料位高低、用電時間段等因素，在保證不影響煤礦開采和運輸?shù)那疤嵯拢o出最小的帶式輸送機運行速度，確保設備的能耗和電價保持在較低的水平，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

圖2 帶式輸送機控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of belt conveyor control system

2.2 主要硬件設計

設計的控制系統(tǒng)以PLC控制器作為核心，為了提升系統(tǒng)運行的可靠性，要求設計的PLC控制系統(tǒng)與其他組件保持互相獨立。設計時要求各個硬件設施具有安全防爆功能，以適應礦井復雜的工況環(huán)境?；赑LC的控制系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)框架如圖3所示，以下對系統(tǒng)中用到的主要硬件設施進行介紹。

(1)PLC控制器。在對比不同類型PLC控制器性能和成本的基礎上，選用S7-1200型PLC控制器。該控制器具有優(yōu)良的性能，可以對數(shù)據(jù)信息進行快速、準確的分析處理。同時控制器具有豐富的通信接口和I/O接口，可以便捷的與其他硬件設施進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互[8]。為輸送機的數(shù)據(jù)傳輸、故障檢測與診斷、系統(tǒng)保護等提供了堅實的保障。

(2)膠帶秤。膠帶秤的作用是對輸送機中運輸量進行檢測，選用的是ICS電子膠帶秤。主要是利用質(zhì)量傳感器對煤炭量進行檢測，并且輸出為標準的模擬量電壓信號，信號經(jīng)過放大、A/D模塊轉(zhuǎn)換后可以在顯示面板上進行展示。選用的膠帶秤整體結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、具有良好的檢測精度、方便維護。

圖3 控制系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of main hardware structure of control system

(3)煤倉料位計。煤倉的作用是對開采得到的煤塊物料進行臨時存儲，然后利用輸送機進行運輸。本系統(tǒng)基于雷達料位計對煤倉料位進行檢測，具體型號為VEGAPLUS 68，已有的實踐經(jīng)驗表明，該傳感器具有良好的檢測精度，能滿足復雜的礦井工礦環(huán)境，輸出的是標準的模擬量電流信號。

(4)變頻器?？刂葡到y(tǒng)中需要通過變頻器調(diào)整輸入電機中的電流頻率，從而對輸送機電機的輸出轉(zhuǎn)速進行控制。選用的是BPJ系列變頻器，具有良好的防爆功能，利用變頻器可以實現(xiàn)帶式輸送機的功率平衡、軟啟動等。

(5)速度傳感器。速度傳感器的原理是將電機輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成為一定頻率的脈沖信號，再通過計算器進行計數(shù)處理后獲得對應的旋轉(zhuǎn)速度。系統(tǒng)中選用的速度傳感器型號為CS1。

(6)各種保護傳感器。為了避免帶式輸送機運行時出現(xiàn)打滑、跑偏、撕裂、堆煤等問題，需利用傳感器對以上問題進行檢測。另外，為了保障煤礦運行環(huán)境安全，需要對環(huán)境中的瓦斯、煙霧、溫度等進行檢測。

(7)功率采集模塊。主要是對輸送機運行中的功率、電流及電壓等參數(shù)進行采集，以更好地掌握設備運行狀態(tài)，確保設備運行安全和可靠。系統(tǒng)中選用的功率采集模塊型號為LM-704。

3 PLC控制系統(tǒng)設計

在對PLC控制系統(tǒng)進行設計前，需要根據(jù)實際情況對系統(tǒng)需要的數(shù)字量模擬信號輸入接口和模擬量輸入接口的數(shù)量進行統(tǒng)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以上2個接口的數(shù)量分別為18個和2個。為了實現(xiàn)輸送帶預警以及交流接觸器的控制，需要2個數(shù)字量輸出模塊接口，通過輸出模塊接口實現(xiàn)打點控制和制動閘的控制。

PLC控制器基于模塊化思想設計，在對控制系統(tǒng)進行設計時，需要根據(jù)需要對PLC控制器的各個模塊進行選擇，在選擇模塊時需要考慮控制系統(tǒng)未來的拓展需求，預留一定的裕量。

表1 PLC控制器各個模塊的選擇情況Tab.1 Selection condition of each module of PLC controller

根據(jù)PLC控制器各個模塊的選型情況，可以對整個PLC控制系統(tǒng)進行設計。PLC控制系統(tǒng)的接線原理如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)的接線原理示意Fig.4 Schematic diagram of wiring principle of PLC control system

由圖可知，PLC控制單元通過各類輸入、輸出或通信接口實現(xiàn)與其他模塊之間的連接，將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息全部輸入到PLC控制器中進行分析與處理。

CPU模塊還通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機之間的連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中進行存儲并在顯示屏上顯示，以便工作人員能及時、直觀地掌握帶式輸送機的運行狀態(tài)。

4 PLC控制器的軟件設計

對于一個完整的控制系統(tǒng)，硬件部分是實現(xiàn)功能的基礎，軟件部分是實現(xiàn)各項功能的靈魂。在軟件程序的驅(qū)動下才能實現(xiàn)帶式輸送機運行過程的優(yōu)化控制并實現(xiàn)故障預警。

4.1 軟啟動控制

帶式輸送機軟啟動過程的基本工作流程如圖5所示。由圖5可知，程序啟動運行以后，首先對保護進行檢測，確保能夠正常工作后才會啟動抱閘，如果保護無法正常工作，則會拒絕開車啟動。然后依次對電機風扇、張緊裝置是否啟動、變頻器是否啟動并按“S”形曲線控制頻率從零增加等進行檢測，每個環(huán)節(jié)在確保正常工作后才會進入下個環(huán)節(jié)。通過軟啟動能夠降低帶式輸送機在重載啟動時對設備自身造成的沖擊，以及對井下供電網(wǎng)絡造成的沖擊，提升設備運行過程的穩(wěn)定性，降低故障率[9]。

圖5 軟啟動過程的工作流程Fig.5 Workflow of soft start process

4.2 功率平衡控制

研究的帶式輸送機同時由2部電機進行驅(qū)動，電機之間的功率平衡是提升電機壽命，并保證輸送機運行穩(wěn)定性的基礎和前提。因此，需要通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)兩部電機之間的功率平衡[10]。在供電電壓相同的情況下，電流是反映電機功率的重要指標。因此，需要對2部電機運行時的電流I1和I2分別進行檢測，并計算兩者的平均值Ip。當電機電流與平均值之間的差別不超過5%時，不對電機的運行功率進行調(diào)整，目的在于避免頻繁調(diào)整電機功率影響系統(tǒng)和設備的運行穩(wěn)定性。當兩者之間的差別超過5%時，通過降低功率較大電機的供電頻率和增加功率較小電機的供電頻率的方式，來減小2部電機之間的功率差值，直到兩部電機的功率差值在系統(tǒng)設定的范圍內(nèi)時為止。

4.3 系統(tǒng)運行優(yōu)化控制

節(jié)能降耗是PLC控制系統(tǒng)的重要功能之一，主要從2個方面著手降低帶式輸送機運行過程中的電能消耗。①對輸送煤量和運行速度進行檢測，確保兩者之間相互匹配，避免長時間高轉(zhuǎn)速運行造成的電能浪費；②對于大型企業(yè)不同時間段的電價存在差異，通常深夜的電價相對便宜，白天的電價相對更高，配合煤倉的使用，在確保煤倉安全的情況下盡量降低用電高峰期設備的運行速度，提升用電低谷期設備的運行速度，從而減低企業(yè)的電費支出。PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制工作流程如圖6所示。

圖6 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制工作流程Fig.6 Optimized control workflow of PLC control system

由圖6可知，系統(tǒng)啟動運行后，首先檢測保護是否正常，不正常則拒絕開車并預警，如果保護正常則進行軟啟動，然后開始對帶式輸送機的運行速度、輸送煤量以及煤倉料位等信息進行實時檢測，并結(jié)合用電時間段分析是否滿足調(diào)速條件。如果滿足調(diào)速條件，則開始進行優(yōu)化運算，確定最優(yōu)的運行速度，下達指令對變頻器進行控制，輸出對應的供電頻率，實現(xiàn)帶式輸送機運行速度的優(yōu)化控制。

4.4 系統(tǒng)故障預警

PLC控制系統(tǒng)運行中會利用傳感器對帶式輸送機運行環(huán)境參數(shù)以及常見的故障問題進行實時檢測，將檢測結(jié)果傳入控制器中進行分析處理。針對每個環(huán)境參數(shù)或故障問題，系統(tǒng)都設定有安全閾值范圍，當檢測結(jié)果不在安全閾值范圍以內(nèi)時，意味著存在安全隱患或故障問題。為了保證井下設備和人員安全，系統(tǒng)會下達指令對輸送機作停機處理。

5 PLC控制器在輸送機中的應用效果

將設計的基于PLC控制器的帶式輸送機節(jié)能系統(tǒng)應用到煤礦工程實踐中，首先對系統(tǒng)的運行情況進行初步調(diào)試，確保能夠正常運行后正式投入應用。為了分析系統(tǒng)的運行效果，對帶式輸送機未使用系統(tǒng)和使用系統(tǒng)的情況下，分別統(tǒng)計了連續(xù)一周內(nèi)的煤礦運輸情況及電量參數(shù)。帶式輸送機在應用節(jié)能系統(tǒng)前后的能耗情況對比如圖7所示，圖7中恒速運行代表未使用節(jié)能系統(tǒng)，節(jié)能運行代表應用了節(jié)能系統(tǒng)。

圖7 節(jié)能系統(tǒng)運用前后帶式輸送機的能耗情況對比Fig.7 Comparison of energy consumption of belt conveyor before and after application of energy-saving system

由圖7可知，帶式輸送機在使用節(jié)能系統(tǒng)前后1周內(nèi)，運輸?shù)拿旱V物料總量分別為23.858 083萬t和23.868 943萬t，兩者相差不大。使用系統(tǒng)前，1周內(nèi)耗費的電量為252 402.07 kWh，使用后的耗費電量為176 693.82 kWh。根據(jù)不同時間段的電價可以計算得到，1周內(nèi)的總電價分別為124 737.1元和71 004.87元?；谝陨蠑?shù)據(jù)可以看出，在運輸總量相差不大的情況下，使用基于PLC控制器的節(jié)能系統(tǒng)使得耗電量和總電價大幅度降低。

為了更好地對比分析，對輸送機的能耗和總電價進行標準化處理。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計算得到萬噸輸送量對應的能耗以及總電價情況。能耗方面：W恒=10 579.31 kWh，W節(jié)= 7 402.56 kWh；電價方面：J恒= 5 228.30元/周，J節(jié)=2 974.78元/周。

根據(jù)以上計算結(jié)果可以得到，使用節(jié)能系統(tǒng)后，帶式輸送機在能耗和電價方面的降低幅度，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，能耗和電價的降低幅度分別達到了30.03%和43.1%。說明基于PLC控制器的節(jié)能系統(tǒng)取得了較好的效果，可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

圖8 使用節(jié)能系統(tǒng)后能耗和電價的優(yōu)化效果Fig.8 Optimization effect of energy consumption and electricity price after using energy-saving system

6 結(jié)論

以DTL120/150/2×200型帶式輸送機為對象，基于先進的PLC控制器設計了設備的節(jié)能系統(tǒng)，可達到節(jié)能降耗的效果。

(1)系統(tǒng)運行時利用各類傳感器對帶式輸送機的安全參數(shù)、運行狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)等進行檢測，結(jié)果傳入PLC控制器中進行分析處理，在保證設備運行安全的前提下，實現(xiàn)設備運行速度的優(yōu)化控制。

(2)選用的PLC控制器型號為S7-1200，具有良好的性能。采用模塊化思想進行設計，主要包括CPU模塊、電源模塊、數(shù)字量和模擬量輸入模塊等。

(3)從設備軟啟動、多電機功率平衡、運行速度優(yōu)化和系統(tǒng)故障預警4個層面詳細介紹了節(jié)能系統(tǒng)的軟件程序工作流程。系統(tǒng)可綜合考慮實際運輸煤量、煤倉料位、用電時間段等因素對運行速度進行優(yōu)化運算。

(4)將基于PLC控制器的帶式輸送機節(jié)能系統(tǒng)應用到工程實踐中，經(jīng)現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn)效果良好。與未使用系統(tǒng)前相比較，電能消耗和電價支出分別降低了30.03%和43.1%，設備運行穩(wěn)定性也顯著提升，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。