煤礦主提升帶式輸送機控制系統設計與應用研究

王計瑋

（晉能控股煤業集團軒崗煤電有限責任公司， 山西 忻州 034100）

引言

隨著對煤炭資源需求量的不斷增大，煤炭掘進工作量逐年增加，對煤炭掘進裝置的可靠性要求越來越高[1]。帶式輸送機作為煤炭由井下運至地面的關鍵設備，具有輸送量大、布置靈活等優勢，得到了較為廣泛的應用[2-3]。隨著煤炭采煤深度越來越深，大輸送距離和運量的帶式輸送機已成當今煤炭行業的關注焦點[4]。傳統帶式輸送機控制系統技術落后，故障頻率較高，嚴重制約了煤炭行業的產量和效率[5]。PLC 作為近年來電控系統應用技術較為成熟的電控系統核心部件，由其搭建的控制系統可靠性高、性能穩定，得到了各界的認可[6]。因此，針對某煤炭企業帶式輸送機集控程度低、故障率高的問題，開展煤礦主提升帶式輸送機控制系統設計與應用研究工作具有重要的意義。

1 帶式輸送機的構成

帶式輸送機作為煤炭掘進工作正常開展的關鍵設備，其結構組成如圖1 所示，其主要包括輸送帶、驅動滾筒、托輥、轉向滾筒、張緊裝置等。帶式輸送機結構部件中驅動滾筒的作用是帶動輸送帶連續回轉，實現煤炭輸送功能；托輥負責煤炭在輸送帶上的承重，避免出現煤炭塌陷灑落；張緊裝置作用是保持輸送帶具有足夠的張緊力，增大滾筒與輸送帶之間的摩擦力；改向滾筒置于輸送帶的尾部，是輸送帶回轉的起點。帶式輸送機各個組成部件聯合工作，協作完成煤炭井下至井上的運輸工作。

圖1 帶式輸送機結構組成示意圖

2 總體方案設計

根據帶式輸送機控制系統設計的需求，完成了某煤礦主提升帶式輸送機控制系統方案的設計，如圖2 所示。其中上位機組成涉及2 臺研華工控機、液晶顯示器、數字打印機等，滿足帶式輸送機實時監測和遠程控制的要求；控制核心PLC 選擇西門子S7-300 系列產品，具有工作穩定可靠、環境適應性強等優勢；保護部分主要配置各種傳感器元件，如跑偏傳感器、打滑傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器等，實現帶式輸送機現場工作狀態的實時檢測功能；供配電部分涉及高壓配電和低壓配電兩部分，高壓配電系統為輸送帶驅動電機供電，低壓供電系統主要為控制系統供電，為了確保帶式輸送機控制系統工作的可靠性，須配置UPS 電源備用。

圖2 總體方案

3 系統詳細設計

3.1 硬件設計

3.1.1 PLC 控制系統設計

煤礦主提升帶式輸送機控制系統選擇PLC 作為核心控件，為了提高控制系統運行的可靠性，基于模塊化設計思想，將整個PLC 控制系統劃分為PLC 主站、溫度分站及機尾分站。其中的PLC 主站的作用是控制帶式輸送機的啟動和停止、監視驅動電機的運行狀態、保護參數信息的采集等；溫度分站作用是監視驅動電機繞組溫度、電機主軸溫度等；機尾分站作用是根據給煤機的啟停狀態控制帶式輸送機的啟停。PLC 控制系統的結構組成框圖如圖3 所示。

圖3 PLC 控制系統的結構組成框圖

3.1.2 綜合保護系統設計

煤礦主提升帶式輸送機控制系統中的綜合保護組成如圖4 所示，涉及帶式輸送機的啟停控制、跑偏、煙霧、撕裂等保護功能。跑偏傳感器工作過程中采集得到的跑偏量超過5%時系統將會發出報警，跑偏量超過10%時系統將會對帶式輸送機進行停機控制；測速裝置負責帶式輸送機運行速度的監測，為控制系統提供斷帶信號；皮帶縱撕傳感器能夠及時檢測到撕裂現象并進行自動停車操作；溫度傳感器監測主動滾筒的表面溫度，超過限值自動停車；煙霧傳感器的作用是監測皮帶是否產生煙霧，控制帶式輸送機的啟停；堆煤傳感器監視皮帶堆煤情況，出現堆煤即可停機；當接收到煙霧、超溫等信號時，系統能夠自動控制灑水裝置進行滅火等操作，并發出報警停機信號。

圖4 綜合保護系統組成

3.2 軟件設計

3.2.1 軟件設計原理

煤礦主提升帶式輸送機驅動系統使用的變頻電機，包括3 臺，其中1 臺為主驅動，其余2 臺為備用驅動。主驅動電機的變頻控制使用速度給定模式，配置PID 控制系統，實現帶式輸送機驅動電機的變頻控制。

3.2.2 電機轉速控制

煤礦主提升帶式輸送機控制系統電機轉速控制基于PID 控制系統實現，其控制原理如圖5 所示。由圖5 可以看出帶式輸送機控制系統運行時進行轉速平衡調節時的主要流程是對主變頻器設置速度數值，主變頻器能夠根據其中的PID 控制系統采集主驅動電機的實際轉速，對比分析速度設定值與實際速度數值，進行閉環的反饋控制，實現帶式輸送機驅動電機保持在速度給定值范圍內運轉。

圖5 電機轉速控制原理

3.2.3 系統功率平衡控制

帶式輸送機工作條件較為惡劣，如負載波動、電壓不穩等，均會使3 臺電機的功率不等，如果功率分布極度不均時極易出現電機燒毀的情況，因此必須嚴格控制帶式輸送機的3 臺電機功率，才能確保帶式輸送機的安全穩定運行。本系統基于PID 控制系統分別設計了帶式輸送機啟停過程、運行過程中的功率平衡控制系統，以便控制帶式輸送機各個電機的運行功率。

3.2.4 組態界面

煤礦主提升帶式輸送機控制系統組態界面設計采用了模塊化思路，主要包括數據采集模塊、數據顯示模塊、控制系統模塊和用戶系統模塊，界面功能框圖如下頁圖6 所示。數據采集模塊負責帶式輸送機運行狀態參數的采集，實時傳輸至上位機進行顯示；顯示模塊負責帶式輸送機運行參數實時數據、歷史數據等的實時顯示，當設備出現故障時，及時發出報警提示并顯示故障可能出現的位置；遠程控制模塊負責帶式輸送機遠程控制，便于監控人員及時調整設備的運行參數；用戶管理模塊負責控制系統的管理操作，如用戶配置、權限設置等。

圖6 系統組態功能框圖

4 應用效果評價

為了驗證煤礦主提升帶式輸送機控制系統設計的可行性，將其應用于某煤礦企業的帶式輸送機中進行試運行，跟蹤記錄控制系統的運行情況。結果顯示，控制系統運行穩定可靠，滿足帶式輸送機實時監測與遠程控制的要求。統計結果顯示，控制系統的投入使用，減少了帶式輸送機近12%故障停機時間，節省了2～3 名設備運維人員，提升了帶式輸送機有效利用率，預計為煤炭企業新增經濟效益近80 萬元/年，取得了很好的應用效果。