礦井多級帶式輸送機智能控制系統的設計

王曉偉

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

如何降低帶式輸送機的能耗并提升運輸效率是值得深入研究的課題。目前礦井均是采用多級帶式輸送機進行煤炭的輸送，皮帶的傳輸速度保持恒定，在不同的時刻均處于低負荷與高負荷的交替工作狀態，使得帶式輸送機的傳輸效率較低，不能根據煤炭的輸送量進行帶速的變化[1]。因此，為了達到節能減排的目的，應該對帶式輸送機的智能控制技術進行研究，使得多級傳送系統能夠根據煤炭的落料量進行主動控制，減少輸送系統的能源浪費。研究成果為煤礦企業的綠色節能降耗技術研究提供了依據。

1 帶式輸送機節能方法的分析

1.1 能耗分析

由于多級帶式輸送機是機械設備，應從設備的輸出功率方向對能耗產生的因素進行分析，才能精確性地設計出針對于運行速度的控制技術，實現節能的目的。目前帶式輸送機的設計參照標準主要為德國標準DIN22101-2002和國際標準ISO5048-1989[2]，上述兩個標準相互在技術規定方面進行補充，根據帶式輸送機的阻力系數、張力、電動機功率等主要因素對傳送帶的能耗進行分析。

1.2 運行阻力

根據德國標準DIN22101-2002，帶式輸送機的阻力主要可分為主要阻力、特種阻力、傾斜阻力、附加阻力。其中主要阻力的來源是皮帶與煤炭物料之間的摩擦力，同時皮帶在托輥上進行滾動時產生的阻力也計算在內[3]。由于皮帶由橡膠材料組成，在長時間的外部張力作用下會處于張緊狀態，形成了擠壓阻力。

1.3 節能可行性分析

通過查閱相關技術資料，當煤炭的運輸量保持不變時，皮帶的速度與電動機的功率成正比例關系。一般情況下，帶式輸送機的輸出功率會隨著皮帶帶速的保持同比例增大，同時，輸出功率也會與煤炭運輸量保持同步增加。但是在實際工況條件下，煤炭的運量是不斷改變的。因此當帶式輸送機的皮帶速度保持不變時，無法增加輸出功率的利用率，形成了功耗能源的浪費[4]。根據德國標準DIN22101-2002類的相關計算公式，利用皮帶速度與運載力成反比關系，根據煤炭運載量，不斷地調節帶速有利于提高功率的利用率和降低功率的消耗。

2 智能控制系統的方案研究

2.1 速度控制方法分析

通常智能控制系統采用的調速方法是在某一個時間段內采取多段的速度變化產生新的速度，設置多個速度調整點。速度的調節并非連續的過程，而是根據時間進行間隔劃分。通過煤礦的供電網絡的電量記錄對運載量和皮帶速度進行設計[5]。礦井的惡劣環境使得煤炭物料的運載受到多種不利因素影響。若采用固定不變的調速方法，達不到最優效果，因此使用動態時間間隔調速的方法，能夠使得帶式輸送機的節能效果更優，如圖1所示。

圖1 動態時間間隔調速示意圖

2.2 控制系統策略研究

礦井的采煤運輸系統通常由多級皮帶運輸組成，在設計智能控制系統時，應將各級輸送帶看成一個整體。在一級皮帶的速度可設置為v0，二級皮帶速度為v1，三級皮帶速度為v1，以此類推。通常將每一級皮帶相連接的傳輸點設置為調速點，每個調速點的煤流量和參考速度都不盡相同，通過對每個調速點的皮帶速度進行取樣，可以對應得到每個速度時刻的功率值。在后期進行分析時，對隨機時間段內電量消耗的最小速度點位置進行確定。在確定最小速度時，帶式輸送機的皮帶速度不得低于規定值[6]，防止煤炭物料產生溢料，嚴重時可引發安全事故。

3 智能控制系統的仿真設計

由于煤層地質結構復雜，每個時刻所采的煤炭量完全不同，速度和煤炭量是非線性的關系，按照常規的數學方法進行分析，無法確定結果的精準性。利用MATLAB數據分析軟件的模糊控制設計模塊，可以按照模糊控制理論模擬出整個非線性控制方面的走向性，使得多級輸送機的整體智能調速趨近于統一穩定。

MATLAB仿真軟件的模糊控制模塊，在simulink模塊中建立起整體的數學模型，根據帶式輸送機的實際工況應用環境，將其智能控制系統的模糊控制仿真模型設計如圖2所示。

圖2 智能控制系統仿真示意圖

4 智能控制系統的試驗設計測試分析

4.1 整體結構的設計

礦井內煤炭物料的運輸是由多級帶式輸送機系統組成。為了實現多級聯運，智能控制系統應由PLC、變頻器、電動機和各類傳感器組成。帶式輸送機通過皮帶將煤炭物料從第1級皮帶不斷地傳送至第n級皮帶，如圖3所示。

由圖3可知，整體運輸系統主要由通過PLC作為核心處理器收集煤炭的運載量信息，并且傳送至各部位控制器。最后由傳感器將控制器的指令傳輸直接執行器，完成最后的執行動作。

圖3 多級帶式輸送機系統示意圖

4.2 硬件布置

智能控制系統主要分為六層，分別為上位機層、下位機層、數據處理層、傳感分析層、執行層、反饋層，每一個層功能的實現都需要硬件的支持。尤其是傳感器作為模擬信號的檢測軟件，安裝位置尤為關鍵，需要實現對整個運輸系統關鍵信號特征進行深度的感知。

在安裝傳感器硬件時，應該要檢測出帶式輸送機是否存在打滑、跑偏、煙霧信號、溫度、速度、超聲波數據等相關的電信號。最終將傳感器收集到的信號轉換為數字量，統一輸送至PLC作出控制決策，傳感器布置圖如圖4所示。

圖4 傳感器布置圖

為了滿足檢測功能的實現以及對傳感器信號處理的要求，PLC在選型時應首先有很好的穩定性和兼容性，具備礦井下防爆的安全要求。為了方便后期功能的拓展，PLC的I/O接口的數量應設計出足夠的余量，具備很好的拓展性。同時，在選取PLC時應注重經濟性，降低企業成本和系統運行成本。

4.3 軟件平臺設計

硬件平臺的設計實現了對運輸系統運行狀態的信號采集，軟件平臺實現對傳感器采集數據的存儲、處理、遠程控制等功能。通過PLCS7-1200獲取各傳感器的信號數據，利用OPC軟件將信號數據上傳給組態軟件IFIX，IFIX軟件將接受到的信號進行顯示，繪制歷史曲線，實現遠程控制等功能。

系統選用的是STEP 7系列的S7-1200版本，對整個控制程序進行模塊化、分層化，將各個部分的功能程序分別用子指令塊進行編寫。同樣，IFIX就能夠利用這些通信接口還有總線和GPRS來對PLC、智能儀表等實現數據通信，可以得到人機界面的直觀顯示。

通過S7-1200版本軟件的編譯制作出了帶式輸送機的監控界面，系統皮帶主界面共有兩條運煤線路，分別是東翼煤流和西翼煤流。每條運煤線路各有四條輸送帶，都采用順煤流啟動方式和逆煤流停止方式。對于東翼煤流就是：東四、東三、東二、東一，皮帶依次啟動，煤運輸的方向是從東四、東三、東二、東一，最后運輸完成到煤倉。西翼煤流運行方式相同。這樣設計的目的是為了減少系統啟動時的能源浪費。

5 結論

所設計的具有較高精確性的智能控制系統可實現帶式輸送機傳輸速度的動態調速，使得傳輸速度與煤炭運輸量相匹配。仿真試驗結果顯示出智能控制系統能夠有效降低傳送帶的能耗并提高傳輸效率。