TSD480 型帶式輸送機智能調控系統的研究

趙 吉

（晉能控股煤業集團野川煤礦， 山西 晉城 048000）

引言

帶式輸送機在煤礦開采中是重要的物料運輸設備，由于其結構簡單、可靠性好而被廣泛使用。同時由于帶式輸送機任務繁重，對電能的消耗較大，因此帶式輸送機節能技術是目前重要的研究領域。帶式輸送機的節能技術主要可以概括為兩個方向，一方面是引進更加高效、新穎的結構與技術，提高設備效率，另一方面則是從驅動電機控制入手，根據輸送機實際輸送需求控制驅動電機的功率[1]。

尤其是長距離、大舉高的帶式輸送機，其對電能的消耗更高，因此驅動電機功率的控制具有重要意義。智能控制系統即可以根據帶式輸送機上輸送量的大小通過變頻器來控制調節驅動電機的功率，控制系統既可以提高輸送機的利用效率，節約了電能，也可增加設備的使用壽命。基于可編程控制技術、計算機控制技術、通信技術、傳感器技術以及PLC 控制器，設計了一套智能控制系統，實現對帶式輸送機節能控制的目的。

1 TSD480 型帶式輸送機

TSD480 型帶式輸送機是一種大運量、輸送距離長的輸送機，主要結構包括驅動電機、皮帶、輸送機托輥、傳動滾筒、機架、皮帶張緊裝置以及皮帶清理裝置。輸送機主要依靠皮帶與滾筒之間的摩擦力進行連續運輸物體，動力由驅動電機提供，托輥為重要的支撐旋轉結構。

該型帶式輸送機運量達3 000 t/h，運輸長度1 958 m，垂直提升高度為208 m；接市電并配有UPS供電系統；工作溫度室內-15～45.5 ℃；驅動方式采用頭部三部變頻電機驅動的方式，功率配比為2:1；帶式輸送機冷卻系統包括風冷、水冷卻方式。帶式輸送機制動器為液壓卡盤式制動器，自帶電控系統，與智能控制系統相協調保障設備在正常停車情況下可實現軟制動，并且在設備突然停電時，可自動鎖緊輸送機滾筒[2]。

2 輸送機運行阻力與功耗分析

要構建帶式輸送機工作阻力與其負載之間的關系，首先需要對設備的運行狀態以及受力進行分析。TSD480 型帶式輸送機工作結構可以簡化為圖1，該型輸送機有兩個滾筒、三個驅動裝置。帶式輸送機在穩定運行狀態下，認為皮帶處于勻速運行，皮帶上重物沿下的分力與皮帶的總工作阻力相平衡，根據總工作阻力、皮帶的運行速度即可計算得到帶式輸送機傳動滾筒的軸端輸入功率，從而獲得驅動電機的輸出功率。

根據帶式輸送機所受力的情況，可以確定總工作阻力又可以分為主要阻力、附加阻力以及斜阻力等，下面對輸送機所受力做簡要說明。

皮帶在工作狀態中的所有主要阻力主要由兩部分組成，其一是壓陷阻力，其二是托輥阻力。壓陷阻力主要是皮帶上重物對皮帶施加的正壓力，使得皮帶與托輥之間的接觸面產生較大的摩擦阻力，該值的大小主要取決于皮帶上的重物。托輥運行阻力主要是當皮帶上的載荷增加時，托輥軸承所受的徑向載荷較大，從而使托輥運行的阻力加大，托輥的運行阻力與托輥的轉速以及皮帶上重物質量密切相關[3]。

3 智能調控系統硬件設計

圖1 帶式輸送機結構圖

該帶式輸送機智能調控系統電氣硬件設備主要包括PLC 控制器、變頻器、高壓開關柜、低壓電源柜、輸送機保護裝置等，下面對主要的硬件設備做簡要介紹與說明。

3.1 系統主要硬件選型

1）高壓開關柜。根據系統的實際需求，選擇了富杰牌KMNA35-16 型開關式高壓開關柜，該開關柜設置了主動斷電保護、電流過載保護以及失壓保護。同時具有負載分、合隔離開關，具有防止靜電功能，具有防短路功能，具有防電擊的功能。

2）PLC 控制器。選擇了美國羅克韋爾公司生產的Continent500 系列可編程控制器，控制器實現對帶式輸送機功率的控制，采用模塊化、可擴展結構，雙處理器設計，并可根據需要選擇處理器運行個數。

3）控制計算機。采用聯想Think pad 的XD16 型筆記本電腦，CPU 酷睿八核1.66 G，系統軟件Windows10 系統，該電腦配置有UPS 蓄電池，可保障在斷電5 h 內正常工作。

4）輸送機保護裝置。輸送機保護裝置選擇了杭州華宇的KSTC20 保護裝置（見圖2），類似遠程監控功能，可根據帶式輸送機各個位置上傳感器的信息進行分析判斷，起到提前預警故障的作用，對帶式輸送機具有較好的保護功能[4]。

圖2 KSTC20 保護裝置

3.2 變頻驅動系統設計

本系統采用了先進的矢量控制變頻技術，相較于其他設備具有較好的可靠性與穩定性，具有較強的抗過載能力，可適用于煤礦開采等環境。其最大的特征是實現帶式輸送機的緩啟動與停止，有效避免設備突然啟動或突然停車時帶來的沖擊，防止輸送帶上物料灑落，也可避免皮帶張力的波動對設備造成的影響。

帶式輸送機由三臺異步電機驅動，每臺電機配置有一套變頻器，變頻器控制原理圖如圖3 所示，變頻器參數為2 500 kVA，其主要工作目的是保障三臺驅動電機的輸出功率同步，同時保障帶式輸送機要具有慢停慢啟動的能力[5]。

4 智能控制系統軟件設計

圖3 帶式輸送機智能控制原理

軟件是控制系統具體實現其功能的載體，對于保障控制系統的可靠性與穩定性具有重要意義。系統軟件設計需滿足幾大原則：1）功能齊全、穩定性好、結構簡單合理；2）層次分明、操作簡單、易上手；3）易維護、方便檢測。根據項目實際需求，以及需實現的控制功能，控制系統主要包括PLC、電流/電壓互感器、變頻器、傳感器等。

系統中可編程控制器選擇了羅克韋爾公司Continent 系列專用的編程軟件，該編程軟件應用范圍較廣，兼容性好。不僅可以用于可編程控制器的編程，還可用于主機簡單控制軟件的編程，控制系統所有對外信息的交互均可經過編程軟件的組態和編程實現[6]。

5 現場調試及節能分析結果

在帶式輸送機智能調控系統設計并搭建完成后，對系統的各個子硬件設備進行了聯動測試，以檢驗各子系統設備是否處于正常工作狀態，最后對智能控制系統的設計功能進行測試驗證。現場調試需做的準備包括分析系統設計的原理圖、電氣系統走線圖等；做好電氣接線準備，確保各個設備正常工作；確認設備狀態均正常后方可進行下一步操作，調試設備。

由于帶式輸送機相關聯的設備眾多，為了保障安全以及設備的檢修與維護，因此制定了系統的測試方案，其流程如下頁圖4 所示。先分別對單臺設備進行測試，然后再進行聯條聯試，通過對系統單機性能的的測試，逐一排查各個設備，分手動就地啟動和遠程控制啟動兩種方式對設備性能進行驗證。

各設備調試成功后，表明所有設備處于正常狀態，之后對系統的PLC 控制程序進行調試，對PLC控制程序的測試主要是為了監測智能控制系統是否達到設計目標，測試其各項設計功能，如輸送機在啟動或停車時帶速緩降功能、根據輸送機運輸量自動調節驅動電機的輸出功率與轉速功能。在測試過程中應結合輸送機的實際應用情況，檢查各系統功能，對測試中發現的一些問題迅速進行解決，測試結果顯示輸送機智能控制系統達到了設計目標。

圖4 系統硬件調試流程圖