膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

侯佳男

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 一礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

煤礦開采過程中，膠帶輸送機(jī)是其中非常重要的運(yùn)輸設(shè)備，采取有效措施對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制是提升運(yùn)煤效率并降低能源消耗的重要措施和手段[1]。目前，我國很多煤礦中使用的膠帶輸送機(jī)都是以恒定的速度運(yùn)行，即在整個(gè)運(yùn)行過程中設(shè)備保持勻速運(yùn)動(dòng)，并沒有考慮到輸送物料的多少[2，3]，導(dǎo)致的結(jié)果是膠帶輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)抖動(dòng)和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，在一定程度上限制了運(yùn)輸效率的穩(wěn)定，同時(shí)還會(huì)造成能源浪費(fèi)[4]。通過自動(dòng)控制手段，確保膠帶輸送機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于整個(gè)采煤過程具有重要的實(shí)踐意義[5，6]，不僅能夠確保采煤過程的安全，還能夠顯著降低能源消耗。為此，本文設(shè)計(jì)了膠帶輸送機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到膠帶輸送機(jī)工程實(shí)踐中。

1 膠帶輸送機(jī)及自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 膠帶輸送機(jī)概況

煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，通常都會(huì)通過多組膠帶輸送機(jī)完成整個(gè)煤礦物料的運(yùn)輸。本文研究的膠帶輸送機(jī)型號(hào)為DTL140，皮帶寬度為1.4 m，整體長(zhǎng)度達(dá)到了950 m，以19°傾角向上運(yùn)輸煤礦物料。正常運(yùn)行時(shí)皮帶的運(yùn)行速度為4 m/s，每小時(shí)能夠運(yùn)輸?shù)拿旱V物料達(dá)到1 800 t。共有3臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)的功率為900 kW，通過10 kV電壓供電,電機(jī)輸出的動(dòng)力通過減速器后傳輸至膠帶輸送機(jī)的滾筒。驅(qū)動(dòng)裝置通過變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度的調(diào)整。通過盤式制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，可以確保制動(dòng)過程的穩(wěn)定。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以膠帶輸送機(jī)為控制對(duì)象，通過設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)煤炭物料運(yùn)輸過程的自動(dòng)控制、監(jiān)控以及保護(hù)。對(duì)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是進(jìn)行自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由控制主站、控制冗余站、交換機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)等組成，所有通信業(yè)務(wù)全部基于光纖完成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)主要功能

膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能如下：

(1) 多種控制方式。為了滿足不同工況條件，設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)總共有三種控制方式：遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、就地控制。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制是按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行控制，遠(yuǎn)程手動(dòng)控制是操作人員在終端實(shí)現(xiàn)控制，就地控制是在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行控制。自動(dòng)控制方式下系統(tǒng)能夠根據(jù)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)輸量對(duì)運(yùn)輸速度進(jìn)行調(diào)整。

(2) 故障自動(dòng)診斷。自動(dòng)控制系統(tǒng)自身的穩(wěn)定運(yùn)行是確保膠帶輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了故障自動(dòng)診斷功能，能對(duì)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的網(wǎng)絡(luò)故障、控制器故障、傳感器故障、信號(hào)傳輸故障等進(jìn)行自動(dòng)診斷。如果發(fā)現(xiàn)存在問題，立即發(fā)出警報(bào)提示工作人員進(jìn)行處理。

(3) 膠帶輸送機(jī)保護(hù)。通過設(shè)置傳感器對(duì)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)輸送機(jī)的啟動(dòng)和停止?fàn)顟B(tài)，皮帶跑偏、打滑、斷裂等故障，電機(jī)溫度狀態(tài)等。如果發(fā)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)存在故障，視具體情況進(jìn)行停機(jī)處理，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

(4) 數(shù)據(jù)采集與顯示。通過傳感器可以采集膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)顯示屏中進(jìn)行展示，操作人員能非常直觀地看到輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如果膠帶輸送機(jī)和控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也會(huì)在顯示器中展示相關(guān)故障信息，操作人員根據(jù)提示能快速排除故障，盡可能降低故障造成的不良影響。

2 膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分總體結(jié)構(gòu)

膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，只有對(duì)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確掌控，才能更好地完成自動(dòng)控制工作?？刂葡到y(tǒng)中涉及到的傳感器包括多種類型，如皮帶打滑、跑偏、撕裂、堆煤傳感器，速度傳感器，溫度傳感器，電流和電壓傳感器等。

圖2 膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)框圖

2.2 PLC控制器選型與設(shè)計(jì)

PLC控制器是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，其性能的好壞對(duì)控制系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有決定性影響，本控制系統(tǒng)選用的是S7-300型PLC。S7-300 PLC能適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境，控制過程穩(wěn)定，具有良好的擴(kuò)展性，能為后續(xù)控制系統(tǒng)的拓展奠定基礎(chǔ)。PLC采用模塊化化設(shè)計(jì)，由不同模塊構(gòu)成。其中最為重要的三個(gè)模塊分別為CPU模塊、電源模塊和I/O接口模塊，CPU模塊型號(hào)為CPU 315-2DP，I/O接口模塊型號(hào)為SM321。由于CPU模塊和I/O接口模塊的供電電流不同，分別為5A和10A，因此電源模塊需要準(zhǔn)備兩部分，分別為上述兩個(gè)模塊提供穩(wěn)定的電源，具體型號(hào)為PS307-5A和PS307-10A。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本自動(dòng)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件程序由多個(gè)子程序構(gòu)成，子程序之間通過主程序進(jìn)行串接，從而實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能。通過STEP7編程軟件完成所有的程序設(shè)計(jì)工作，自動(dòng)控制系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)主程序流程

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 控制方式選擇子程序

系統(tǒng)啟動(dòng)后需要進(jìn)行初始化，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)診斷。如果系統(tǒng)一切正常，則啟用遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式；如果發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)存在問題，則需要啟動(dòng)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式。當(dāng)系統(tǒng)需要檢修時(shí)，則需要切換到就地控制方式，對(duì)膠帶輸送機(jī)進(jìn)行全面系統(tǒng)的檢測(cè)。

3.2.2 啟動(dòng)過程控制子程序

如果膠帶輸送機(jī)采用硬啟動(dòng)方式，由于皮帶速度突然增大，會(huì)嚴(yán)重沖擊皮帶和設(shè)備。因此系統(tǒng)采用“S”型軟啟動(dòng)方式，通過變頻啟動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)膠帶輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，降低啟動(dòng)過程對(duì)皮帶以及設(shè)備造成的沖擊。

3.2.3 自動(dòng)控制子程序

利用設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合設(shè)定的自動(dòng)控制策略可以對(duì)膠帶輸送機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，確保設(shè)備始終處于最佳的工作狀態(tài)。通過傳感器可以對(duì)膠帶輸送機(jī)的煤礦物料流量以及皮帶運(yùn)行速度進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)兩者之間不匹配，則系統(tǒng)可以下達(dá)控制指令對(duì)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，還會(huì)對(duì)膠帶輸送機(jī)電機(jī)工作電流和電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保電流和電壓始終保持在額定范圍內(nèi)，防止膠帶輸送機(jī)過載導(dǎo)致電機(jī)燒毀，以達(dá)到保護(hù)膠帶輸送機(jī)的目的。膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制子程序流程如圖4所示。其中，v0為煤流量為Q時(shí)對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)理想運(yùn)行速度，v為輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，E為系統(tǒng)允許的誤差。

圖4 膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制子程序流程

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

將設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦工程實(shí)踐中，有效提升了膠帶輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

(1) 每臺(tái)設(shè)備原來需要配備1名司機(jī)和1名維護(hù)工，通過自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施，只需要安排1名巡檢工即可，使得井下工作人員數(shù)量減少了一半。

(2) 自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)δz帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，有效地降低了膠帶輸送機(jī)的故障率。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用能夠使膠帶輸送機(jī)的故障率降低45%以上。

(3) 傳統(tǒng)的膠帶輸送機(jī)都是以恒定速度為目標(biāo)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)載重量對(duì)輸送速度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，通過這樣的方式能夠降低膠帶輸送機(jī)的能源消耗。未使用自動(dòng)控制系統(tǒng)前，1臺(tái)膠帶輸送機(jī)每天需要消耗的電能為13 000度左右，通過自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施，能夠降低電量消耗2 500度左右，電能節(jié)約幅度達(dá)到19.23%。

通過應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)減少了井下工作人員數(shù)量、提升了設(shè)備運(yùn)行的可靠性、降低了能源消耗，在確保膠帶輸送機(jī)運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，可為企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

本文在分析煤礦井下膠帶輸送機(jī)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序進(jìn)行了介紹。將自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，能夠顯著提升膠帶輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性和輸送效率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。