馬道頭煤礦帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

安海峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.5 Mt/a，礦區(qū)地表為風(fēng)積沙地貌，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組。目前礦區(qū)開(kāi)采5 號(hào)煤層，煤層厚度在0.44～25.24 m，平均厚度12.24 m。礦區(qū)主斜井運(yùn)輸系統(tǒng)配置DSJ80 型帶式輸送機(jī)，控制系統(tǒng)控制變頻器恒為40 Hz，無(wú)法進(jìn)行運(yùn)輸量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，更不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能，已經(jīng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，需進(jìn)行智能控制系統(tǒng)升級(jí)改造[1-8]。

2 DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

馬道頭煤礦使用的DSJ80 型帶式輸送機(jī)采用雙筒三驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集中驅(qū)動(dòng)。一級(jí)滾筒軸分別通過(guò)兩臺(tái)YBPS450-4 型變頻防爆電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，總驅(qū)動(dòng)功率為1420 kW；二級(jí)滾筒軸一側(cè)采用YBPS450-4型變頻防爆電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，另一側(cè)則安裝SHI202/D2000 型盤(pán)式制動(dòng)器。智能控制系統(tǒng)選擇西門(mén)子S7-300 系列的1214C 型PLC 作為系統(tǒng)的核心。DSJ80型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

速度傳感器采用接近開(kāi)關(guān)，主要對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。PLC 控制器根據(jù)速度監(jiān)測(cè)信號(hào)按照設(shè)定的程度控制器輸出控制信號(hào)到變頻器，變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻控制，空載時(shí)起到保護(hù)皮帶的作用，運(yùn)載時(shí)根據(jù)運(yùn)載量調(diào)節(jié)運(yùn)輸速度。皮帶秤監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)行中的壓力值，將壓力值轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)能識(shí)別的電信號(hào)后輸入到PLC 控制器，按照邏輯程序控制帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行、停機(jī)或過(guò)載報(bào)警等功能。功率采集模塊采集變頻器和電動(dòng)機(jī)的電信號(hào)，通過(guò)與PLC 控制器通訊，一方面實(shí)現(xiàn)變頻器和電動(dòng)機(jī)的程序控制，另一方面將電信號(hào)輸出到上位機(jī)，供操作人員實(shí)時(shí)查看。

3 DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）輸入輸出點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)

DSJ80 型帶式輸送機(jī)需要3 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)位監(jiān)測(cè)3 臺(tái)電機(jī)的上電狀態(tài)，需要3 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)位監(jiān)視制動(dòng)器的制動(dòng)狀態(tài)；按照馬道頭煤礦機(jī)電部門(mén)控制需求，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“遠(yuǎn)程”“就地”“檢修”3種控制方式，對(duì)應(yīng)3 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)位；系統(tǒng)保護(hù)傳感器的輸入需要9 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)位和3 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)位（3 個(gè)電機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)）；系統(tǒng)安設(shè)的速度傳感器采用統(tǒng)計(jì)安裝在滾筒邊緣的永磁鐵的旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)來(lái)統(tǒng)計(jì)速度，需要1 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)位。即系統(tǒng)共需要16 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)位和3 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)位。數(shù)字量點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)表

PLC 輸出點(diǎn)位共為2 個(gè)，分別是制動(dòng)閘控制輸出和打點(diǎn)控制。SHI202/D2000 型盤(pán)式制動(dòng)器通過(guò)交流接觸器直接控制，PLC 控制器通過(guò)輸出24 V 信號(hào)控制直流繼電器的通斷，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器通斷的控制，因此制動(dòng)閘控制為數(shù)字量輸出點(diǎn)位。帶式輸送機(jī)在開(kāi)車(chē)時(shí)需要打點(diǎn)預(yù)警，同樣是PLC 控制器通過(guò)輸出24 V 信號(hào)控制直流繼電器進(jìn)行打點(diǎn)。

（2）PLC 功能模塊選型

根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的輸入和輸出點(diǎn)位數(shù)以及系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行功能模塊的選擇。考慮到設(shè)計(jì)余量和經(jīng)濟(jì)性，DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)PLC 功能模塊選型見(jiàn)表2。

表2 PLC 功能模塊選型表

3.2 變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

更換馬道頭煤礦變頻器型號(hào)為3 臺(tái)西門(mén)子6ES71 變頻器。該型號(hào)變頻器搭載的SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的各種功能，同時(shí)控制精度很高。通過(guò)3 臺(tái)變頻器獨(dú)立控制3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)。

3.3 功率監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行期間的功率監(jiān)測(cè)選用EDA9033A 型功率采集模塊，監(jiān)測(cè)對(duì)象為控制電機(jī)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(tǒng)的有功功率和功率因素等參數(shù)通過(guò)EDA9033A 模塊計(jì)算得出。

4 DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)

（1）啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)

啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)主要考慮啟動(dòng)條件和啟動(dòng)平穩(wěn)兩個(gè)要素。系統(tǒng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后進(jìn)行制動(dòng)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)讀取，確認(rèn)制動(dòng)閘打開(kāi)，系統(tǒng)無(wú)報(bào)警后進(jìn)入變頻器啟動(dòng)狀態(tài)。變頻器啟動(dòng)采用“S”型方式，即變頻器接收到啟動(dòng)信號(hào)后，先以低頻率運(yùn)行，在5 s 內(nèi)緩慢增加輸出頻率，10 s 后快速增加輸出頻率，直到達(dá)到運(yùn)輸量下設(shè)定的速度，啟動(dòng)過(guò)程完成。

（2）調(diào)速控制設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的控制按照運(yùn)載量決定，如果調(diào)速系統(tǒng)過(guò)于靈敏，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁調(diào)速，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度不斷變化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定的煤炭輸送作業(yè)。因此系統(tǒng)調(diào)速促發(fā)條件設(shè)定為煤量區(qū)間，即將運(yùn)輸煤量劃分為[Q0，Q1]、[Q1，Q2]……[Qn，Qn+1]，不同區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)行速度，降低系統(tǒng)調(diào)速靈敏度并保證不同區(qū)間運(yùn)載量輸送機(jī)運(yùn)輸速度的差異化，節(jié)約電能。如果系統(tǒng)檢測(cè)到運(yùn)載量出現(xiàn)區(qū)間變化，且3 s 后仍為變化后的值，則系統(tǒng)判定運(yùn)載量檢測(cè)值真實(shí)有效，否則，不啟動(dòng)調(diào)速程序。系統(tǒng)調(diào)速流程設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 調(diào)速控制流程設(shè)計(jì)圖

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)上位機(jī)選用WinCC7.3 組態(tài)軟件，通過(guò)以太網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)PLC 與上位機(jī)通訊。在上位機(jī)上操作人員可以發(fā)出系統(tǒng)指令，監(jiān)控輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，還對(duì)系統(tǒng)的歷史報(bào)警信息和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)提供歷史查閱功能。如圖3。

圖3 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框架圖

5 應(yīng)用效果

馬道頭煤礦將該智能控制系統(tǒng)安裝調(diào)試應(yīng)用在了2115 工作面開(kāi)采輸送中，分別設(shè)定系統(tǒng)的調(diào)速運(yùn)行和恒速運(yùn)行兩種模式。調(diào)速模式下系統(tǒng)根據(jù)輸送帶上運(yùn)載量能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，調(diào)速效果明顯；恒速模式下系統(tǒng)可以按照操作人員設(shè)定的運(yùn)行速度自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)載量超過(guò)設(shè)定速度下的額定運(yùn)載量時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)，上位機(jī)顯示狀態(tài)準(zhǔn)確。

為驗(yàn)證調(diào)速模式控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，分別統(tǒng)計(jì)恒速和調(diào)速控制模式下運(yùn)載量和電能消耗，恒速模式設(shè)定輸送機(jī)運(yùn)行速度為5.12 m/s，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 恒速與調(diào)速模式下運(yùn)載量和電耗統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)兩種模式運(yùn)行效率對(duì)比可以看出，恒速模式下每運(yùn)輸1 t 煤炭，消耗電能為2.564 7 kW·h，而調(diào)速模式下每運(yùn)輸1 t 煤炭，消耗電能為2.004 5 kW·h，節(jié)約電能約21%，節(jié)能效果明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)馬道頭煤礦主斜井運(yùn)輸系統(tǒng)DSJ80 型帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提升輸送機(jī)智能化控制程度，降低耗能，分析了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)本文研究形成以下結(jié)論：

（1）智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制、調(diào)速模式運(yùn)行、恒速模式運(yùn)行、輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及運(yùn)行故障報(bào)警和連鎖控制功能。

（2）結(jié)合馬道頭煤礦實(shí)際運(yùn)載情況，為了避免智能控制系統(tǒng)頻繁調(diào)速帶式輸送機(jī)，采用了按照運(yùn)載量區(qū)間作為調(diào)速控制促發(fā)條件的設(shè)定，并增加了3 s 判定規(guī)則，防止調(diào)速系統(tǒng)誤調(diào)整。

（3）為了驗(yàn)證調(diào)速模式控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，對(duì)比了恒速控制模式和調(diào)速控制模式下單位運(yùn)載量的電耗。調(diào)速模式下，節(jié)約電能21%，節(jié)能效果明顯。