礦用帶式輸送機智能調速控制系統設計應用*

羅艷杰

(山西焦煤西山煤電光道煤業公司，山西 臨汾 041000)

0 引 言

在散裝物料運輸領域，帶式輸送機的運用非常廣泛，具有結構簡單、運輸效率高等顯著優勢，特別是在煤礦領域帶式輸送機是非常重要的輸送設備。受電氣控制技術水平的限制，我國很多煤礦應用的帶式輸送機都是以恒定速度運行，且為了確保輸送機運行過程的安全性，設備實際運載量通常都比最大額定運載量小，造成了電力能源的浪費。結合帶式輸送機的實際運行情況，對其輸出速度和功率進行動態優化控制是很多學者研究的熱門問題。部分學者過分追求最小能耗，忽視了帶式輸送機運行過程中可能出現的斷帶、打滑等缺陷問題。筆者充分考慮帶式輸送機運行過程特點，對其工作過程進行動態調控，在降低能源消耗的基礎上，提升運行的可靠性和穩定性。

1 帶式輸送機結構及動態調控概述

1.1 整體結構設計分析

文中主要以DTL120型帶式輸送機為例進行闡述。圖1所示為帶式輸送機整體結構示意圖。從圖中可以看出，帶式輸送機主要由五大部分構成，分別為驅動滾筒、改向滾筒、托輥、輸送帶以及張緊裝置。利用電機對設備進行驅動，電機輸出的動力經減速器后傳輸到驅動滾筒中，驅動滾筒與輸送帶之間存在摩擦力，利用摩擦力驅動輸送帶運動。托輥的作用是對輸送帶進行支撐，張緊裝置的作用是確保輸送帶時刻處于張緊狀態，保證皮帶與滾筒之間的摩擦力。

圖1 帶式輸送機整體結構示意圖

1.2 動態優化調控分析

目前很多帶式輸送機中都匹配了變頻調控控制系統，可以根據實際情況對設備運行速度進行調控。設備在改變運行速度時會呈現出復雜的動態特性，給速度調整造成了一定難度。如果控制不當，可能導致輸送帶與滾筒之間出現打滑問題，若速度變化過快可能導致斷帶現象。傳統的變頻調速控制系統并沒有考慮速度變化對設備運行動特性造成的運行不穩定現象。因此，對帶式輸送機速度進行調整時，需要考慮設備運行時的高階次動態特性，并以此為約束條件開展控制工作[1]。

影響輸送帶的動態特性的因素很多，像輸送帶本身的動特性；輸送帶所受到的阻力，運動部分的慣性;輸送帶懸垂度的影響驅動力及制動力的特性;拉賢裝置的影響等。具體的影響因素如下：輸送帶本身動特性影響:輸送帶在承受拉力時，表現出非常復雜的力學特性這包括應力與應變呈非線性關系，即其彈性模量是應力的函數;輸送帶在拉伸過程中，有滯后現象，即加載和卸載應力應變關系不一致；具有顯著的變和松弛現象；拉力作用下的變形與拉力的變化速度有關。

2 動態調控系統整體方案設計

圖2所示為帶式輸送機運行速度動態調控系統的整體方案框圖。主要是利用各種傳感器對帶式輸送機的各種狀態參量進行檢測，狀態參量主要包括電機輸出轉速、輸送帶速度、輸送帶單位長度上煤礦物料重量等。所有檢測到的狀態參量通過網絡傳輸到 PLC 控制器中進行分析與處理，判斷帶式輸送機實際運行速度與其輸送重量之間是否匹配。分析后如果發現兩者之間比較匹配，則無需進行調控。如果發現兩者之間不匹配，控制器下達控制指令，變頻器根據指令調整輸出電壓頻率，進而調整異步電機輸出轉速，達到調控帶式輸送機運行速度的目的，確保設備運行速度與煤礦物料重量相匹配，實現節省能源的目的。

圖2 動態調控系統的整體框架圖

此系統在對帶式輸送機運行速度調控時，充分考慮了設備的動態特性。對動態特性影響最顯著的是設備自身的運行速度及其加速度。如果設備運行速度過大，超過了設備的承載能力，必然會影響設備運行穩定性；如果輸送帶運行速度過小，導致煤礦物料在皮帶上大量堆積，容易產生斷帶和打滑的問題；對速度進行調整時如果加速度過大，也容易出現打滑現象。基于此，在調控帶式輸送機運行速度時，需要以輸送帶速度范圍及其加速度大小作為約束條件，提升速度調控過程的穩定性。

3 動態調控系統硬件選型設計

動態調控系統涉及到的硬件類型和數量比較多，以下主要對最重要的硬件，如PLC控制器、網絡通訊部分等進行詳細介紹。

3.1 PLC控制器

PLC控制器是整個動態調控系統的核心，所有傳感器采集得到的數據信息都要通過通訊網絡傳輸到控制器中進行分析和處理，并給出分析結果，基于該結果下達控制指令對變頻器進行控制。結合實際情況，選用的是西門子公司生產的 S7-300 型 PLC控制器，該控制器性能良好，廣泛應用在工業領域。CPU 模塊是控制器中重要的構成部分，需要完成數據的分析與運算，選用的 CPU 模塊型號為 CPU315F-2PN/DP，具有 515 kbit 的閃存和多個I/O 接口，有很好的拓展性。

3.2 網絡通訊模塊

從圖2中可以看出，動態調控系統涉及到三個位置的通訊，分別為 PLC 控制器與上位機、傳 感器、變頻器之間的通訊。其中，PLC 控制器與上位機之間通過 PROFIBUS-DP 方式實現通訊，最快的傳輸速率可達到 1.5 Mbps/s，完全達到系統的數據通信需要，使用的網卡型號為 CP5611。PLC控制器與變頻器、各傳感器之間通過 OPC 通信方式實現數據信息交互。此通訊方式適用于不同硬件之間通訊，打破不同廠商所生產硬件之間的通訊壁壘，比較適合在本調控系統中使用[2]。

4 應用效果分析

4.1 速度調節試驗

將上述礦用帶式輸送機運行過程動態調控系統運用到煤礦工程實踐中，對其調速性能進行了測試。此次試驗中共對帶式輸送機進行了三次調速試驗，對調速過程中輸送帶的運行速度及加速度進行監測，所得試驗結果如圖3、4所示。

圖3 帶式輸送機調控時速演變圖

由圖3、4可知，前兩次為加速調整，第3次為減速調整。三次調整均在第t時刻開始改變速度，約5 s后速度基本調整完成，再過5 s速度達到穩定狀態。整個調速過程持續了10 s時間，實現了速度的緩慢變化。理論和實踐經驗表明，帶式輸送機調整速度時，輸送帶加速度需要控制在 0.3 m/s2范圍內，如超過該值容易發生打滑現象。通過對三次調速過程中輸送帶的加速度進行監控，發現均沒有超過 0.3 m/s2，達到了預期效果[3]。

圖4 帶式輸送機調速加速度最大值

4.2 實踐應用分析

完成相關試驗工作后系統正式服役。為分析系統運行的穩定性和運行工況，文中對運行工況進行監測分析，經過優化后帶式輸送機能夠實現帶速的變頻調節，節約電能約45%，平均每臺電機可節省功率 2.4 kW 左右，工作日按300 d計算，則礦井每年可節省的電費為 300×24 h×2.4×1=1.728萬元(電費按照1元 /kW·h)計算，節能效果理想。

監測期間系統運行穩定、良好，可以根據實際情況對輸送帶運行速度進行調整，達到了節能減排的效果，且在調整過程中設備整體運行穩定，沒有出現打滑和斷帶等故障問題，為帶式輸送機的可靠穩定運行奠定了良好的基礎。綜上所述，此設計的動態調控系統在帶式輸送機中的應用達到了預期效果，獲得了企業技術人員的一致好評，為煤礦企業創造了良好的經濟效益值得進一步推廣。

5 結 語

礦用帶式輸送機進行變頻調速控制是帶式輸送機未來發展的必然趨勢，但很多調控系統在設計階段沒有考慮輸送帶速度變化時可能產生的打滑和斷帶問題，因此系統在運行時存在不穩定性的風險。文中設計的動態調控系統對調速過程中輸送帶的加速度進行嚴格控制，以此作為約束條件，要求輸送帶的加速度不得超過 0.3 m/s2。經現場測試發現調控系統運行良好，調試過程中沒有出現明顯的打滑問題和斷帶現象，運行穩定性得到了很好的保障和提升。