礦用帶式輸送機自動控制系統的應用研究

李麗娜

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

1 概 況

帶式輸送機是煤礦開采中重要的運輸設備，運行穩定性對煤礦開采效率有非常重要的影響。帶式輸送機作為使用量比較多、使用時間較長的機電裝備，其能耗大小會對煤礦的經濟效益產生較大影響。目前很多煤礦中使用的帶式輸送機無法對速度進行調整，以恒定速度運行，當輸送的煤礦物料重量發生變化時，不僅會影響帶式輸送機運行穩定性，還會造成能源浪費。基于此，結合經坊煤業實際情況，對該礦DTL140 型帶式輸送機的自動控制系統進行分析，確保設備能根據輸送物料重量對其速度進行自動化調整，提升設備運行的穩定性，降低運行中的能源消耗。

2 制動控制系統整體方案研究

2.1 帶式輸送機基本情況

經坊煤業DTL140 型帶式輸送機皮帶寬度為1.4 m，運行時皮帶的速度為4 m/s，煤礦物料輸送速度可以達到1 800 t/h，帶式輸送機整體長度為930 m，運輸巷道的傾角為19°，同時由2 臺功率為900 kW 的電機進行驅動。主要結構如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機的主要結構示意Fig.1 The main structure diagram of belt conveyor

2.2 自動控制系統整體方案設計

結合經坊煤業實際情況設計帶式輸送機自動控制系統的整體方案，如圖2 所示。可以看出，為帶式輸送機中的2 部電機分別配備了變頻器，變頻器與PLC 控制器進行連接，接受PLC 控制器下達的指令，對輸出的電壓頻率進行調整，實現對2 部電機的輸出轉速的控制。變頻器與PLC 控制器之間基于Profibus 總線進行連接。速度傳感器和轉速編碼器分別對帶式輸送機皮帶的運行速度和電機的輸出轉速進行檢測。煤量檢測裝置對輸送機裝載的煤量大小進行檢測。傳感器和檢測裝置通過RS485實現與PLC 控制器的連接，將結果輸入到控制器中進行分析。PLC 控制器與監控主機之間基于工業以太網實現數據信息交互。所有檢測和分析結果均需傳入監控主機并存儲到服務器中，同時監控屏幕會顯示帶式輸送機的運行狀態。

圖2 自動控制系統整體方案框圖Fig.2 Overall scheme diagram of automatic control system

2.3 系統的主要功能

（1） 系統可以根據設備輸送的煤礦物料重量大小，對其運行速度進行自動調整，確保運行速度與煤礦物料重量之間相互匹配，提升設備運行的穩定性，降低設備運行能耗。

（2） 系統可以確保2 部電機之間的功率平衡，即2 部電機工作時輸出的功率保持同步，延長電機使用壽命。

（3） 所有檢測和分析結果均會存儲到數據服務器中，可以隨時對相關數據和結果進行查詢。系統能夠以圖表的形式呈現帶式輸送機的運行狀態，包括操作記錄、故障狀態等信息，方便技術人員對設備進行維護保養。

3 自動控制系統的主要硬件設施選型

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器是自動控制系統中非常關鍵的硬件設施，其性能好壞會對系統運行的穩定性產生重要影響，結合實際情況以及以往的工業實踐經驗，選用西門子S7-300 型PLC 控制器。該型號控制器具有無槽位約束、采用模塊化設計、結構緊湊等優點，能夠在復雜的礦井環境下穩定運行。S7-300型PLC 控制器的主要硬件模塊如圖3 所示，主要包括CPU 模塊、數字量輸入和輸出信號模塊、模擬量輸入信號模塊、以太網通信模塊等。

圖3 S7-300 型PLC 控制器的主要硬件模塊Fig.3 Main hardware modules of S7-300 PLC controller

CPU 模塊是PLC 控制器中最為關鍵的模塊，CPU 可以進一步分為存儲器和微處理器，作用是對用戶程序以及輸入的檢測數據進行接收、存儲并處理。此次使用的CPU 模塊型號為CPU315-2DP，具有良好的性能，響應時間短，可靠性高，完全能夠滿足經坊煤業DTL140 型帶式輸送機自動控制系統的實際使用需要。控制器在輸出信號時主要以數字量模式輸出。以太網通信模塊可以實現與控制主機之間的數據通信。

3.2 檢測裝置設計

系統采用電子輸送帶稱對皮帶機輸送的煤礦物料重量進行實時檢測，采用SS102K 型電機轉速傳感器對2 部電機的輸出轉速進行檢測，采用GSD-5 型礦用速度傳感器對皮帶的運行速度進行檢測。以上使用的各類傳感器或檢測裝置均屬于防爆本質安全型裝置，可以在復雜的礦井環境下工作。需要說明的是，以上檢測裝置獲得的均屬于模擬量信號，需要經過A/D 轉換器將其轉換成為數字量信號才能夠輸入到PLC 控制器中進行分析。

4 自動控制系統的主要工作流程

為確保帶式輸送機運行過程中兩部電機功率平衡，根據其輸送的煤塊重量對運行速度進行調整，提升設備運行的穩定性并降低能耗，制定了系統的主要工作流程圖，如圖4 所示。

圖4 自動控制系統的工作流程Fig.4 Workflow of automatic control system

系統啟動工作后，開始對皮帶運行速度、電機輸出轉速以及皮帶輸送煤量大小進行檢測。若輸送的煤量Q 低于設備的額定輸送容量Qe，系統下達控制指令，降低變頻器的輸出頻率，控制電機轉速下降。如果設備輸送的煤礦重量為額定重量，則需要對2 部電機的功率大小進行分析，如果2 部電機之間存在功率不平衡的問題，系統會根據功率不平衡程度下達控制指令，對2 部電機的輸出轉速進行調整，確保電機之間的功率平衡。

5 自動控制系統的工程應用

將設計的自動控制系統部署到經坊煤業DTL140 型帶式輸送機工程實踐中，驗證系統運行過程的可靠性和穩定性。在實踐中對自動控制系統的各項功能進行現場測試，并對功能進行優化改進調整。結果表明，在整個運行調試期間，自動控制系統的運行過程穩定、可靠，未出現明顯故障問題，可以對帶式輸送機的運行過程進行自動化控制。

自動控制系統的成功實踐應用，使得帶式輸送機運行過程更加穩定，能夠根據煤礦運輸重量對其運行速度進行自動調整。初步估計認為，其能耗大小與之前相比降低了12%左右。另外，由于設備運行穩定性提升，降低了設備故障率，運維人員數量減少了2～3 名，節省了一定的設備維護保養成本和維護人工成本，提升了運輸效率。分析認為，自動控制系統的投入使用后，每年可以為煤礦企業節省100 萬元以上。

6 結 語

本文主要以經坊煤業DTL140 型帶式輸送機為對象，結合煤礦實際情況對自動控制系統進行了設計。控制系統可以對皮帶輸送的煤量、皮帶速度、電機的轉速進行檢測。在PLC 控制器和變頻器的綜合作用下，根據實際輸送煤礦重量，對電機輸出轉速和皮帶運行速度進行控制，保障2 部電機之間的功率平衡。將自動控制系統部署到工程實踐中，在現場對其各項性能進行測驗，取得良好的效果，提升了帶式輸送機運行穩定性，降低了電能消耗，創造了良好的經濟效益。