礦用帶式輸送機自動控制系統設計及其應用研究

陳 斐，趙亞玲

(陜西能源職業技術學院 繼續教育學院，陜西 咸陽 712000)

帶式輸送機具有結構簡單、能夠實現連續運輸等眾多優勢，在散裝物料運輸中具有非常廣泛的應用[1]。在煤礦開采與運輸過程中，帶式輸送機是比較重要的運輸裝備，其運行過程的可靠性對煤礦開采效率有重要的影響[2]。對于普通的帶式輸送機，為了提升設備運行過程的穩定性，通常都設計有一定的安全裕量，即電機功率相對較大[3]。導致電機長時間處于高功率運行狀態，存在“大馬拉小車”的現象。帶式輸送機長時間處于這種運行狀態，不僅浪費了大量的電力能源，還加劇了設備零部件的損耗，增加了設備的維護與保養成本[4]。針對該問題，目前很多技術人員和學者開展了相關的研究，基于變頻調速技術對帶式輸送機的運行過程進行控制，在實踐中取得了一定的應用效果，顯著提升了礦用帶式輸送機的自動化水平[5]。本文主要以某煤礦中使用的帶式輸送機為對象，充分結合實際情況設計研究了設備的自動控制系統。實踐應用表明，該系統取得了很好的效果，為煤礦企業創造了良好的經濟效益，值得其他煤礦企業借鑒。

1 帶式輸送機結構概述

某煤礦企業每年生產的煤礦物料達到了200萬t，帶式輸送機是該煤礦中重要的運輸機械裝備。由于每年輸送的煤炭量較多，對煤炭運輸過程提出了相對較高的要求。本文主要以其中比較典型的DTL120/200/3×630型帶式輸送機中為對象進行介紹，帶式輸送機的整體結構如圖1所示。由圖1可知，帶式輸送機主要由驅動滾筒、改向滾筒、張緊裝置、上托輥、下托輥、膠帶等部分構成[6]。由電動機提供動力來源，電機輸出的動力經傳動系統傳輸到傳動滾筒中，傳動滾筒通過摩擦力驅動膠帶發生運動；換向滾筒的作用是改變膠帶的運動方向，實現循環往復運動；張緊裝置的作用是確保膠帶與驅動滾筒、換向滾筒之間緊密接觸，確保有足夠的摩擦力。

圖1 帶式輸送機的結構示意Fig.1 Schematic diagram of belt conveyor

帶式輸送機的驅動滾筒和換向滾筒分別安裝在機頭部位和機尾部位。由圖1可知，機頭部位設置了2個驅動滾筒，其中1根滾筒兩側分別安裝1臺防爆異步電動機，另外一根滾筒的兩側分別安裝1臺防爆異步電動機和1臺制動器。3臺YBPS450-4型異步電動機功率為630 kW。制動器屬于盤式制動器，型號為SHI202/D2000，緊急情況下可以通過制動器對設備進行制動處理，具有很好的效果。

目前，該型號帶式輸送機運行時存在的主要問題：①啟動過程屬于“硬啟動”，對設備造成了一定程度的沖擊；②設備無法根據實際運輸的煤礦物料對運行速度進行調整，存在能源浪費的現象。

2 整體方案設計

自動控制系統的整體方案結構如圖2所示。從圖2中可以看出，整個控制系統主要由變頻器、配電柜、專業檢測傳感器、PLC控制器、交換機、上位機以及工業以太網等部分構成。針對帶式輸送機中的三部異步電動機，每臺電機均配備了對應的變頻器(型號為6ES71)。利用專業的傳感器對電動機的耗電量、帶式輸送機膠帶的運行速度以及輸送的煤流量大小進行實時監測，將獲得的結果傳輸到PLC控制器中。控制器對各狀態參量進行分析與對比，如果發現互相不協調、不匹配，則會下達控制指令，調節變頻器的電壓輸出頻率，進而調整異步電動機的輸出轉速，實現煤流量和運行速度之間的匹配。

圖2 整體方案結構Fig.2 Structure of overall scheme

利用自動控制系統，可以實現帶式輸送機的軟啟動，系統中內置的是S形曲線啟動模式，這樣可以降低啟動過程中對設備造成的沖擊[7]。其中，電機運行時的功率和電流可以基于功率采集模塊進行收集、輸送的煤流量可以基于電子膠帶秤進行檢測，膠帶運行速度可以利用速度傳感器進行檢測。

由圖2可知，帶式輸送機的主要供電線路為三臺配電柜，每臺配電柜對應1個變頻器，配電柜中輸出的電壓和頻率分別為660 V和50 Hz。對于整個自動控制系統而言，PLC控制器是最為核心和關鍵的部分，上位機與控制器之間基于工業以太網實現數據信息的傳輸，同時控制器還要與變頻器基于Profibus通信協議實現數據的交互。自動控制系統正常工作時，上位機可以向PLC控制器下達控制指令，PLC控制器將指令傳輸到變頻器中，改變輸出電壓的頻率，進而實現電動機輸出轉速的控制。基于傳感器獲得的數據信息會實時輸送到PLC控制器，再輸送到上位機系統中，并通過顯示屏進行顯示，工作人員可以實時掌握帶式輸送機的運行狀態信息。所有傳輸到上位機中的數據都會存儲到數據庫中，以便后續調取查閱。

3 硬件部分設計

帶式輸送機自動控制系統是一項非常復雜的項目，涉及到多方面的內容，使用了不同形式的硬件設施。自動控制系統中最重要的硬件設施構成情況如圖3所示。以下主要對這些硬件設施進行介紹。

圖3 主要硬件部分構成Fig.3 Main hardware components

3.1 PLC控制器

PLC控制器是整個自動控制系統的核心和關鍵，其性能好壞會對整個系統運行的可靠性與穩定性產生非常重要的影響[8]。在充分分析目前市場上已有的PLC控制器類型及性能的基礎上，最終結合實際情況選用S7-1200型PLC控制器。控制器的CPU模塊型號為1214C DC/DC/DC，該模塊的數字量輸入接口、數字量輸出接口和模擬量輸入接口的數量分別為14、10和2，完全能夠滿足該系統的實際使用需要。數字量與模擬量之間的轉換模塊型號為SM1221 DI8×24V DC，控制器中使用了2種類型的通信模塊，型號分別為CM1243-5和CM1241，其中前者主要是基于Profibus通信協議實現控制器與變頻器之間的通信，而后者不僅支持Profibus通信協議，同時也支持RS422和RS485通信協議，利用該模塊可以實現控制器與各種傳感器之間的數據通信。電源模塊的型號為PM1207，此模塊可以將外部電源轉換成為24 V DC電源，為PLC控制器的各個模塊進行供電，實現PLC控制器的穩定運行。

3.2 變頻器

自動控制系統中為3臺電動機分別配備了變頻器，為了確保PLC控制器與變頻器之間的兼容性，選用的變頻器型號為6ES71。該變頻器的額定功率、額定電流和額定輸入電壓分別為800 kW、860 A和660～690 V，允許的最大瞬時電流可以達到1 170 A。當前階段，變頻器普遍采用的是直—交—直變頻模式，整個變頻過程共包含3大部分內容，分別為整流、中間直流和逆變環節[9]。此變頻模式又可以進一步分為3種變頻控制方法：①基于逆變器對頻率進行調整，基于可控整流器對電壓進行調整；②在第1種控制方法的基礎上增加二極管進行整流處理；③基于PWM逆變器同時對頻率和電壓進行調整，同時配合使用二極管進行整流處理。已有的實踐經驗表明，最后一種控制方法具有更加顯著的優勢，能在一定程度上提升功率因素，規避電力能源的浪費問題，在實踐應用中也更加廣泛。PWM變頻器的主電路框圖如圖4所示。從圖4中可以看出，主電路同樣主要由3個環節構成，即整流環節、中間直流環節和逆變環節。

圖4 PWM變頻器的主電路Fig.4 Main circuit of PWM inverter

3.3 主要檢測傳感器

(1)電子膠帶秤。電子膠帶秤的作用是對膠帶上輸送的煤礦物料流量進行檢測，目前電子膠帶秤的類型有多種，這里選用ICS-ST型裝置，該裝置檢測得到的煤礦物料流量誤差可以控制在0.25%～1.00%，精度較高。整個裝置主要由4大部分構成，分別為支架、速度傳感器、重量傳感器和數據采集模塊。由傳感器采集到的數據信息利用采集模塊進行收集并分析，重量與速度的比值即為煤礦流量。考慮到煤礦工作環境的復雜性，所有使用的元器件全部為本質安全型。基于RS485通信模式實現與PLC控制器之間的數據交互。ICS-ST型電子膠帶秤的允許運行速度和稱重范圍分別為0.1～5.0 m/s和10～10 000 t/h，可以滿足實際使用要求。

(2)速度傳感器。速度傳感器的作用是對膠帶的運行速度進行實時采集[10]。其檢測原理是在驅動滾筒的輪軸上，以軸心為圓心均勻地布置永久磁鐵片，然后將GSH5型速度傳感器固定在驅動滾筒附近的支架上。驅動滾筒帶動永久磁鐵片做旋轉運動，傳感器固定不動，磁鐵片每經過傳感器附近時就會產生一個脈沖信號，基于霍爾原理可以計算得到驅動滾筒的旋轉速度，進一步可以求得驅動滾筒表面的線速度，即膠帶的運行速度。

(3)功率采集模塊。此模塊的作用是對3臺電動機運行過程中產生的電力信息進行采集，包括功率、電流和電壓等數據。采集得到的數據信息基于RS232或者RS485通信模式傳入到PLC控制器中。結合實際情況選用的功率采集模塊型號為EDA9033A。

4 軟件部分設計

在帶式輸送機自動控制系統中，硬件是實現系統功能的基礎，但是硬件都是單獨的個體，需要通過軟件將不同的硬件串聯起來，這樣才能夠實現自動控制系統的各項功能。

4.1 PLC控制器的軟件程序

(1)啟動時的軟件程序。PLC控制器的軟件程序在TIA Portal軟件中實現。帶式輸送機啟動階段工作流程如圖5所示。為了避免設備啟動階段速度突變對零部件造成的損傷，該自動控制系統中內置了S形曲線啟動模式。設備在啟動階段會按照內置的程序進行啟動，可有效規避啟動時造成的沖擊，降低設備運行的故障率。

圖5 帶式輸送機啟動階段工作流程Fig.5 Work flow chart of belt conveyor in start-up phase

(2)穩定運行時速度調控程序。實際煤礦開采過程中，開采得到的煤礦物料質量并不是固定不變的，而是隨時間發生變化。設計的自動控制系統對速度的調整如果過于靈敏，會導致帶式輸送機時刻處于速度調整狀態，不利于設備的穩定運行。基于此，按照輸送的煤流量大小將其劃分成為不同的區間，每個煤流量區間對應一個膠帶運行速度。

帶式輸送機穩定運行時速度控制的工作流程如圖6所示。自動控制系統開始運行以后，會對膠帶輸送的煤流量大小進行實時檢測，并將檢測結果傳入到PLC控制器中進行分析，判斷所處的煤流量區間。然后根據所處區間大小給出對應的膠帶運行速度，并下發控制指令驅動變頻器輸出對應的電壓頻率，對電動機的輸出轉速進行控制。如果檢測得到的煤流量大小超過了系統設定的安全閾值，系統會向外發出警報，同時自動控制帶式輸送機停機，避免過大的煤流量對設備造成不可挽回的損害，甚至可能引發的安全生產事故。

圖6 帶式輸送機速度控制工作流程Fig.6 Work flow chart of belt conveyor speed control

4.2 上位機的軟件程序

上位機不僅可以對帶式輸送機的運行狀態進行監控，也可以從上位機中下達控制指令，對設備進行遠程控制。上位機的軟件程序在WinCC 7.3組態軟件中完成。上位機的軟件部分主要包含3大部分內容，分別為系統管理、數據管理和監控界面。

系統管理的內容主要是整個系統進行設置，并且對用戶進行管理，包含管理人員賬戶和值班管理賬戶。為了確保系統的安全，不同層級的用戶具有對應的安全等級，能查看的內容也存在一定差異。數據管理的作用是對帶式輸送機運行過程中的設備狀態數據信息以及操作記錄數據進行存儲，所有數據歸類后存儲到數據庫中。基于數據管理程序還可以對以往的數據進行查詢。監控界面的作用是將采集得到的信息在顯示屏中實時顯示，并且是將數據進行簡要處理后以可視化的形式呈現，方便工作人員快速掌握設備的運行狀態。

5 應用效果評價

根據以上設計的技術方案，將其部署到某煤礦中的DTL120/200/3×630型帶式輸送機中。對系統的各項功能進行了實踐測試，發現整體運行良好，整個測試期間沒有出現明顯的故障問題。在啟動階段，帶式輸送機能夠根據系統設定的S形曲線方式啟動，有效規避了啟動階段速度突變對設備零部件造成的沖擊。在穩定運行階段，自動控制系統可以根據實際輸送的煤流量大小，對電機運行速度進行調整控制。對自動控制系統運行前后連續7天的運行數據進行了統計分析，結果如圖7和圖8所示，其中前者記錄的是自動控制系統運行前的數據，后者記錄的是系統運行后的數據。

圖7 帶式輸送機恒速運行時產生的數據Fig.7 Data generated when the belt conveyor is running at a constant speed

從圖7和圖8中可以看出，帶式輸送機在未使用自動控制系統前，連續7 d內設備的耗電量依次為2.48、2.54、2.52、2.54、2.57、2.60、2.62 kWh/t，平均值為2.55 kWh/t。在使用了自動控制系統后，連續7 d內設備的噸煤耗電量依次為2.02、1.99、2.01、2.03、1.96、2.05、2.01 kWh/t，平均值為2.01 kWh/t。對比以上數據可以發現，通過使用自動控制系統，設備的噸煤耗電量有了一定程度的降低，降低幅度為21.28%，為煤礦企業節省了大量的電費；另一方面，通過使用自動控制系統，帶式輸送機的運行穩定性有了一定程度的提升，降低了設備的維護和保養成本，同樣創造了良好的經濟效益。

圖8 自動控制運行時產生的數據Fig.8 Data generated when belt conveyor automatically controls the operation

6 結論

本文主要以DTL120/200/3×630型帶式輸送機為對象，對其自動控制系統進行深入的分析和研究，所得結論主要如下。

(1)自動控制系統為帶式輸送機中的3臺電機分別配備了變頻器，利用專業的傳感器對膠帶輸送的煤流量及其運行速度進行實時檢測。基于檢測結果對電機的輸出轉速進行控制，確保設備實際運行速度與煤流量相匹配。另外，基于控制系統還可以實現設備的軟啟動。

(2)系統中使用的PLC控制器和變頻器型號分別為S7-1200和6ES71，具有很好的兼容性，簡要介紹了系統中使用的專業傳感器。對PLC控制器和上位機中的軟件程序進行了詳細設計。

(3)將設計的自動控制系統應用到帶式輸送機工程實踐中，經測試發現整體運行良好，未出現明顯的故障問題。通過對自動控制系統運行前后的數據進行對比發現，可以節省能源21.28%左右，創造了良好的經濟效益。