馬道頭煤礦帶式輸送機智能控制系統設計研究

安海峰

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限公司，山西 大同 037000）

1 概況

馬道頭煤礦位于大同市左云縣小京莊村，設計生產能力4.5 Mt/a，礦區地表為風積沙地貌，主要含煤地層為石炭系上統太原組。目前礦區開采5 號煤層，煤層厚度在0.44～25.24 m，平均厚度12.24 m。礦區主斜井運輸系統配置DSJ80 型帶式輸送機，控制系統控制變頻器恒為40 Hz，無法進行運輸量實時監測，更不能實現運輸量實時調節功能，已經不能滿足生產需求，需進行智能控制系統升級改造[1-8]。

2 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統總設計

馬道頭煤礦使用的DSJ80 型帶式輸送機采用雙筒三驅動的結構實現集中驅動。一級滾筒軸分別通過兩臺YBPS450-4 型變頻防爆電動機帶動，總驅動功率為1420 kW；二級滾筒軸一側采用YBPS450-4型變頻防爆電動機帶動，另一側則安裝SHI202/D2000 型盤式制動器。智能控制系統選擇西門子S7-300 系列的1214C 型PLC 作為系統的核心。DSJ80型帶式輸送機智能控制系統硬件結構如圖1。

圖1 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統硬件結構圖

速度傳感器采用接近開關，主要對帶式輸送機的運行速度進行實時監測。PLC 控制器根據速度監測信號按照設定的程度控制器輸出控制信號到變頻器，變頻器實現電動機的變頻控制，空載時起到保護皮帶的作用，運載時根據運載量調節運輸速度。皮帶秤監測皮帶運行中的壓力值，將壓力值轉化為控制系統能識別的電信號后輸入到PLC 控制器，按照邏輯程序控制帶式輸送機的正常運行、停機或過載報警等功能。功率采集模塊采集變頻器和電動機的電信號，通過與PLC 控制器通訊，一方面實現變頻器和電動機的程序控制，另一方面將電信號輸出到上位機，供操作人員實時查看。

3 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統硬件設計

3.1 PLC 控制系統設計

（1）輸入輸出點位統計

DSJ80 型帶式輸送機需要3 個數字量輸入點位監測3 臺電機的上電狀態，需要3 個數字量輸入點位監視制動器的制動狀態；按照馬道頭煤礦機電部門控制需求，要對系統進行“遠程”“就地”“檢修”3種控制方式，對應3 個數字量輸入點位；系統保護傳感器的輸入需要9 個數字量輸入點位和3 個模擬量輸入點位（3 個電機的溫度監測）；系統安設的速度傳感器采用統計安裝在滾筒邊緣的永磁鐵的旋轉脈沖數來統計速度，需要1 個數字量輸入點位。即系統共需要16 個數字量輸入點位和3 個模擬量輸入點位。數字量點位統計見表1。

表1 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統數字量輸入點位統計表

PLC 輸出點位共為2 個，分別是制動閘控制輸出和打點控制。SHI202/D2000 型盤式制動器通過交流接觸器直接控制，PLC 控制器通過輸出24 V 信號控制直流繼電器的通斷，間接實現對交流接觸器通斷的控制，因此制動閘控制為數字量輸出點位。帶式輸送機在開車時需要打點預警，同樣是PLC 控制器通過輸出24 V 信號控制直流繼電器進行打點。

（2）PLC 功能模塊選型

根據系統統計的輸入和輸出點位數以及系統的控制功能進行功能模塊的選擇。考慮到設計余量和經濟性，DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統PLC 功能模塊選型見表2。

表2 PLC 功能模塊選型表

3.2 變頻器控制系統設計

更換馬道頭煤礦變頻器型號為3 臺西門子6ES71 變頻器。該型號變頻器搭載的SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制功能強大，能實現電機控制的各種功能，同時控制精度很高。通過3 臺變頻器獨立控制3 臺電動機。

3.3 功率監測設計

智能控制系統對輸送機運行期間的功率監測選用EDA9033A 型功率采集模塊，監測對象為控制電機的變頻器，模塊電壓量程為10～500 V（相電壓），電流量程為1～1000 A。系統的有功功率和功率因素等參數通過EDA9033A 模塊計算得出。

4 DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統軟件設計

4.1 系統控制功能設計

（1）啟動控制設計

啟動控制設計主要考慮啟動條件和啟動平穩兩個要素。系統接收到啟動信號后進行制動狀態和報警狀態讀取，確認制動閘打開，系統無報警后進入變頻器啟動狀態。變頻器啟動采用“S”型方式，即變頻器接收到啟動信號后，先以低頻率運行，在5 s 內緩慢增加輸出頻率，10 s 后快速增加輸出頻率，直到達到運輸量下設定的速度，啟動過程完成。

（2）調速控制設計

智能控制系統對帶式輸送機運行速度的控制按照運載量決定，如果調速系統過于靈敏，會導致系統頻繁調速，帶式輸送機運行速度不斷變化，無法實現有效穩定的煤炭輸送作業。因此系統調速促發條件設定為煤量區間，即將運輸煤量劃分為[Q0，Q1]、[Q1，Q2]……[Qn，Qn+1]，不同區間對應不同的運行速度，降低系統調速靈敏度并保證不同區間運載量輸送機運輸速度的差異化，節約電能。如果系統檢測到運載量出現區間變化，且3 s 后仍為變化后的值，則系統判定運載量檢測值真實有效，否則，不啟動調速程序。系統調速流程設計如圖2。

圖2 調速控制流程設計圖

4.2 上位機軟件設計

DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統上位機選用WinCC7.3 組態軟件，通過以太網形式實現PLC 與上位機通訊。在上位機上操作人員可以發出系統指令，監控輸送機運行狀態，還對系統的歷史報警信息和設備運行數據提供歷史查閱功能。如圖3。

圖3 上位機軟件結構框架圖

5 應用效果

馬道頭煤礦將該智能控制系統安裝調試應用在了2115 工作面開采輸送中，分別設定系統的調速運行和恒速運行兩種模式。調速模式下系統根據輸送帶上運載量能夠自動調節運行速度，調速效果明顯；恒速模式下系統可以按照操作人員設定的運行速度自動運行，運載量超過設定速度下的額定運載量時，系統報警停機，上位機顯示狀態準確。

為驗證調速模式控制系統的節能效果，分別統計恒速和調速控制模式下運載量和電能消耗，恒速模式設定輸送機運行速度為5.12 m/s，結果見表3。

表3 恒速與調速模式下運載量和電耗統計表

通過兩種模式運行效率對比可以看出，恒速模式下每運輸1 t 煤炭，消耗電能為2.564 7 kW·h，而調速模式下每運輸1 t 煤炭，消耗電能為2.004 5 kW·h，節約電能約21%，節能效果明顯。

6 結語

對馬道頭煤礦主斜井運輸系統DSJ80 型帶式輸送機智能控制系統進行優化，提升輸送機智能化控制程度，降低耗能，分析了系統硬件和軟件設計，通過本文研究形成以下結論：

（1）智能控制系統能夠實現上位機遠程控制、調速模式運行、恒速模式運行、輸送機狀態監測以及運行故障報警和連鎖控制功能。

（2）結合馬道頭煤礦實際運載情況，為了避免智能控制系統頻繁調速帶式輸送機，采用了按照運載量區間作為調速控制促發條件的設定，并增加了3 s 判定規則，防止調速系統誤調整。

（3）為了驗證調速模式控制系統的節能效果，對比了恒速控制模式和調速控制模式下單位運載量的電耗。調速模式下，節約電能21%，節能效果明顯。