關于DTL1500型礦用帶式輸送機節能優化控制系統的研究

李林浩

（潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司，山西 忻州 036000）

引言

帶式輸送機由于其結構簡單、可靠性好、運行效率高等優點，被廣泛應用于煤礦開采行業。但是傳統的帶式輸送機在設計時需要考慮過載情況，因此其驅動電機的功率一般較大，但在實際應用中帶式輸送機并不是都處于滿載運行的狀態，這就務必會增加電能消耗，同時也可能增加設備的磨損，降低設備的使用壽命[1]。因此設計一套驅動電機的電控系統，以解決帶式輸送機在不同工況下對輸入功率不盡相同的需求。

1 輸送機運行狀態分析

從帶式輸送機驅動電機入手，建立輸送機負載分別與工作阻力、驅動電機轉速以及功率的關系，其中負載與工作阻力的關系是關鍵，由此實現對帶式輸送機的實時控制。根據輸送機載荷的大小進行調整，避免設備在空載或者輕載情況下電能的額外消耗[2]。

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。DTL1500型帶式輸送機工作結構可以簡化為圖1，該型輸送機具有兩個滾筒、三個驅動裝置。帶式輸送機在穩定運行狀態下，被認為其皮帶處于勻速狀態，皮帶上重物向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[3]。

圖1 帶式輸送機結構圖

根據帶式輸送機的受力情況，可將總工作阻力分為主要阻力、附加阻力以及斜阻力。皮帶在工作狀態時的所有主要阻力主要由兩部分組成，一是壓陷阻力，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重物的質量大小。托輥阻力與托輥的轉速以及皮帶上重物質量密切相關，當皮帶上的載荷增加時，托輥軸承所受的徑向載荷則增大，從而使托輥運行的阻力增大。

2 輸送機驅動電機控制系統總體結構的設計

為DTL1500型帶式輸送機共配置三臺異步驅動電機，為電機配置德國西門子公司所生產的S7TY1型變頻控制器，由變頻器控制驅動電機的輸入電壓與電流的大小，從而對驅動電機輸出功率進行控制。控制系統主要對皮帶機的運行速度、運煤量以及電能消耗進行實時監控并進行分析，三者之間的關系由控制系統進行判斷和調控，達到對帶式輸送機驅動電機的優化控制，在保證輸送機的運輸能力的同時，最大限度節約能耗。

帶式輸送機皮帶速度由速度傳感器采集，皮帶上運輸物料的重量由重力傳感器進行采集，通過變頻器可以得到驅動電機的電流與電壓信號，皮帶機的運行速度、運煤量以及電能消耗三者之間的關系由PLC控制器進行協調。該節能控制系統的硬件結構主要包括各類傳感器、變頻器、PLC控制器、中央處理與控制器[4]，如下頁圖2所示。

圖2 控制系統結構設計

上位機通過工業互聯網與PLC控制器實現信息的交互，PLC控制器主要接收輸送機不同位置的傳感器以及檢測儀器的信號，PLC控制器的輸出控制主要是由驅動電機的變頻器完成，實現對電機的轉速、輸出功率的控制。

3 輸送機驅動電機控制系統硬件設備的選型

上位機可對PLC控制器下達指令，并對系統中的各項參數進行記錄與分析，在對皮帶機驅動電機控制的同時，對設備狀態進行記錄分析。控制系統主要硬件包括三臺額定功率為800 kW的TYSD620-8型變頻防爆電動機，以及其他主要硬件設備，其選型如下：

1）PLC控制器：選擇德國西門子公司生產的Continent300系列可編程控制器，實現對帶式輸送機轉速的控制，控制器為模塊化、可擴展結構、雙處理器設計，對環境的適應能力較強。

2）速度傳感器：皮帶速度傳感器為深圳亞科奇LK-G500型傳感器，該型傳感器測量精度高，具有防爆功能。

3）上位機：采用美國戴爾公司的的WK16型計算機，CPU為酷睿八核1.66 GB，系統軟件為Windows 10系統，并配有臨時供電系統。

4）重力傳感器：重力傳感器為霍尼韋爾ZSD-T50系列傳感器[5]，主要對帶式輸送機上貨物的重量進行監測。

4 輸送機驅動電機控制系統軟件的設計

軟件系統主要用于實現控制系統的硬件設計功能。根據節能優化控制系統硬件結構設計，需設計帶式輸送機狀態監控功能、數據記錄功能、系統管理功能，軟件的結構設計示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統軟件界面

圖3 控制系統軟件結構設計示意圖

系統中各個硬件是相互獨立的，只有通過軟件系統才能將各個設備聯系起來，從而達到對帶式輸送機節能優化控制的目的。在該套系統中，對數據的記錄、分析、控制指令、系統管理等都是由軟件實現的。控制系統軟件控制的核心PLC控制程序的設計，是借助TIA Portal軟件來完成的，該軟件是由西門子開發的自動化控制編程軟件，具有較多實用工具，可與Windows系統有較好的兼容性。主機上運行的控制軟件的組態設計則采用Win CC7.3編程軟件完成，其編程的腳本語言是C語言，由于控制系統結構相對比較簡單，所以實際編程也不復雜[6]。

PLC控制系統軟件與上位機之間的聯系通過工業互聯網實現，兩者之間可以互傳指令，實現相互通信，上位機軟件可實現對控制系統的可視化控制與操作，方便操作人員了解設備狀態，對于節能控制系統功能的實現具有重要意義。

5 輸送機驅動電機控制系統的性能測試

在帶式輸送機節能控制系統的軟件與硬件系統搭建完成后，進行了聯合調試，并對控制系統的性能進行了測試。由如圖4所示的帶式輸送機節能優化控制系統的主界面可知，系統實現了對帶式輸送機的狀態可視化監控、驅動電機控制、監測數據的記錄與存儲。

可視化監控主要是指系統實現了對帶式輸送機實時數據的監控，可以通過監控數據了解帶式輸送機的狀態；驅動電機功率的控制，是指當帶式輸送機上貨物較少或者沒有貨物時，控制系統能自適應調節皮帶輸送機的運轉速率，實現對帶式輸送機的節能調速；系統數據的存儲，是指上位機能將傳感器采集的信號進行存儲，方便后續調取查閱。