帶式輸送機智能控制系統研究與應用

劉 穎，朱棟棟，張 豪

(1.河南神火集團煤電股份有限公司 薛湖選煤廠，河南 永城 476600；2.河南能源化工集團 永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600)

在煤炭生產的過程中，帶式輸送機作為主要的運輸設備，由于輸送機對于長度和傾斜角度的限制，致使選煤廠運輸有多級運輸。目前國內部分選煤廠多級帶式輸送機的帶速是恒定，不能智能控制帶速，使輸送機處于滿載狀態，導致輸送機長期處于高速、低負荷運轉，增加了能源的消耗。近年來，國內學者對于選煤廠帶式輸送機帶速控制系統進行了諸多研究，有部分學者通過停止相應數量的電機，達到節能目的，也有學者提出了逆煤流的啟動方式，改變傳統的提前啟動方式，縮短輸送機的空載時間，來實現節能。文獻[1-2]利用先進的SCADE組態軟件技術和PLC等技術，智能化升級改造了主運輸系統的大巷帶式輸送機和主斜井帶式輸送機，改造后的智能帶式輸送機系統能夠遠程智能化啟停帶式輸送機，實現了“有人巡檢、無人值守”，降低了生產成本；文獻[3]采用PLC和上位機的控制模式，利用上位計算機的人機接口對系統設備發出控制命令，直觀、動態地顯示各設備的故障報警信息和運行狀態；文獻[4]研究了帶式輸送機節能控制系統，主要由現場控制和集中控制組成，硬件部分以S7-300系列PLC作為系統的主控單元，并設計了軟啟動控制程序、系統綜合程序流程。鑒于此，本文研究了選煤廠帶式輸送機控制系統，系統主要由PLC、電機、變頻器和各類傳感器組成，并設計硬件部分和軟件部分，研究實現了對帶式輸送機的智能控制。

1 系統整體結構設計

國內選煤廠運輸是通過使用多級帶式膠帶輸送機來實現的，本文研究的選煤廠帶式輸送機控制系統主要由各種傳感器、電機、變頻器和PLC控制構成的。選煤廠帶式輸送機控制系統整體結構設計[5-6]如圖1所示。

圖1 選煤廠帶式輸送機控制系統整體結構設計Fig.1 Overall structure design of control system of the mine belt conveyor

系統將第1臺輸送機的煤流信息作為輸入參數，通過PLC控制器對變頻器發送控制命令，然后執行器根據上位機的指令，對電極進行控制。

2 PLC控制模塊工作流程

PLC控制模塊主要包括多級帶式輸送機智能控制系統和可編輯控制[7-9]。①當系統初始化接收到的煤流量和帶速后，系統需要確定最優匹配帶速，然后通過最優比較，當參考帶速和當前帶速一致時，帶速不作調整；當參考帶速和當前帶速不一致時，根據控制要求，對各電動機調整量進行確定，然后下發控制指令。②系統通過計算電動機頻率、電壓的調整量，來確定輸送機的調整時間，當該輸送機需要調整時，將控制指令下放到PLC。PLC工作流程如圖2所示。

圖2 PLC工作流程Fig.2 PLC workflow

3 硬件設計

本文對選煤廠帶式輸送機控制系統的硬件系統進行了設計，需要完成PLC控制器、變頻器和傳感器的選擇和安裝。系統分為5層：被控對象層、傳感檢測層、數據分析處理層、下位機層、上位機層。

3.1 傳感器硬件設計

為了實現帶式輸送機的智能控制，需要安裝傳感器來監測輸送機的運量和帶速，本系統選用的傳感器有超聲波傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、煙霧保護傳感器、跑偏保護傳感器、打滑保護傳感器[10-12]。

(1)超聲波傳感器。采用超聲波傳感器，可以獲取運煤量數值，本文采用UM30-2超聲波傳感器，該傳感器可提供背景抑制功能，精確檢測測量距離。

(2)速度傳感器。該傳感器是系統最主要的傳感器，本文選用GSG8型速度傳感器，用來檢測帶式輸送機的速度，該傳感器最大測速是8 m/s，額定電流為40 mA，額定電壓為12 V，為光電式傳感器。

(3)溫度傳感器。主要是為了檢測運輸系統的溫度，避免出現膠帶溫度過高引起火災等問題，本文采用PT-100型溫度傳感器，該傳感器的測溫范圍為-200～500 ℃，是熱電阻感溫裝置。

(4)煙霧保護傳感器。為了解決膠帶摩擦會產生煙霧、影響運輸系統的正常運輸等問題，本文采用GQQ0.1煙霧保護傳感器，當出現煙霧時，傳感器會從長亮燈變為閃燈，然后接通故障指示燈，發出報警。

(5)跑偏保護開關。本文采用GEJ30跑偏開關，系統設置2個跑偏開關，分別安裝在膠帶兩側，當膠帶跑偏大于22°時發出報警信號，當膠帶跑偏超過40°時發出緊急停機信號，直到膠帶復位。

(6)打滑保護傳感器。當膠帶摩擦力過低或張緊程度過低時，容易出現打滑，主要原因是輸送機速度過慢造成的。針對輸送機速度過慢的問題，需將傳感器緊貼膠帶，監測實時帶速，當帶速<規定值時，系統接收停機命令，防止膠帶打滑。

各傳感器現場安裝如圖3所示。

圖3 各傳感器現場安裝示意Fig.3 On-site installation of each sensor

3.2 PLC控制器設計

PLC控制器是系統最主要的部分，與各類傳感器緊密相連，PLC選型的依據如下[13-15]：①應具有可擴展性，除了滿足現在所需接口數量，還需有余量；②應具有較好的容錯性和穩定性，能夠防塵、防爆來適應環境；③應選用經濟的PLC型號，降低系統成本。

本文選用S7-1200控制器，具有豐富的擴展模塊和I/O資源，S7-1200控制器采用雙電源供電，避免了電源故障造成的停機現象。PLC控制器和其他硬件的連接如圖4所示。

圖4 PLC控制器和其他硬件的連接Fig.4 Connection between PLC controller and other hardware

3.3 變頻器設計

PLC控制器的模擬信號傳輸到變頻器，變頻器改變電機的轉速，達到控制帶式輸送機的目的，本文采用6ES71型號的變頻器，對電動機轉速進行控制。變頻器連接如圖5所示。

圖5 變頻器連接Fig.5 Inverter connection

3.4 上位機設計

根據下位機傳輸的模擬量信號，上位機實現對帶式輸送機運輸系統的監控。本文上位機主要采用MATLAB、IFIX軟件，MATLAB軟件實現數據處理，IFIX軟件對運輸系統的運行參數進行監控。當系統開始運轉時，IFIX軟件開始對系統的運載量、帶速、煙霧、故障燈運行狀態進行監控。根據變頻器的頻率輸出，系統控制電機的轉速，實現選煤廠帶式輸送機的安全節能運行。硬件平臺結構設計如圖6所示。

4 軟件設計

通過軟件平臺可實現傳感器采集數據的運程控制、處理和存儲等功能，軟件采用S7-1200 PLC獲取各傳感器的信號數據，使用OPC軟件，將信號數據上傳到組態軟件IFIX上，然后IFIX軟件處理信號數據，實現遠程控制、繪制歷史曲線等。

4.1 PLC程序設計

PLC程序設計主要包括啟動子程序、智能控制子程序、故障和保護子程序等。其中，故障系統實現流程如圖7所示。

4.2 監控系統設計

監控系統設計主要是對IFIX監控界面進行設計，IFIX軟件利用以太網、計算機串口、GPRS、總線對智能儀表和PLC控制器進行數據的通信。IFIX主要由采集數據模塊和管理數據模塊構成，采集數據模塊將采集好的數據進行整理，利用I/O模塊實現通信的傳輸；管理數據模塊主要由監控模塊、可視化界面等組成。可視化界面主要由登錄界面、膠帶監控主界面、開停查詢界面、故障查詢界面和歷史曲線界面組成。操作臺界面如圖8所示。

5 結論

根據選煤廠帶式輸送機控制系統整體結構，該整體結構主要是由PLC、電機、變頻器和各類傳感器搭建的，分析了PLC控制模塊工作流程，并設計了硬件部分和軟件部分。該系統實現了運輸系統的智能控制。

圖8 操作臺界面Fig.8 Console interface