礦用帶式輸送機自動化控制系統的設計與應用

王曉飛

（山西蒲縣蘭花蘭興煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041208）

引言

隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，目前的煤礦開采效率越來越高[1]。帶式輸送機是煤礦開采過程中非常重要的一種運輸裝備，其運行過程的可靠性和穩(wěn)定性對煤礦開采效率有著非常重要的影響[2-3]。帶式輸送機作為煤礦開采中需要長時間運行的機械裝備，會消耗大量的電力能源，成為煤礦企業(yè)重要的成本支出之一。然而傳統的帶式輸送機運行時都是按照恒定速度工作，會造成大量電力能源浪費，不符合我國正在大力倡導的節(jié)能減排相關要求[4-5]。若帶式輸送機可以根據實際輸送量對運行速度進行自動化調整，就可以節(jié)省大量的電力能源[6]。根據該思路，設計研究了礦用帶式輸送機自動化控制系統，該系統可以根據輸送機實際情況對運行速度進行自動控制。此舉對于提升煤礦機械裝備的自動化水平，降低煤礦開采成本具有重要的實踐意義。

1 礦用帶式輸送機結構概述

以某煤礦主斜井中使用的帶式輸送機為例進行分析，該帶式輸送機具體型號為DTII80/60/2×160，如圖1 所示為礦用帶式輸送機的整體結構設計圖。從圖1 中可以看出，整個帶式輸送機可以劃分為五大部分，分別為機頭部位、機尾部位、張緊裝置、上行托輥和下行托輥，主動滾筒位于機頭部位，通過2 臺電動機同時對滾筒進行驅動，每臺電機的功率為160 kW，總功率為320 kW。張緊裝置的作用是確保皮帶始終具有一定的張力，防止皮帶與滾筒之間發(fā)生打滑現象，導致設備無法正常工作。在對帶式輸送機的自動化控制系統進行設計分析時，需要考慮的因素重點有以下兩個方面：其一為2 臺電動機之間的功率平衡問題，提升設備運行的穩(wěn)定性；其二為設備的節(jié)能減排問題，要求能根據實際輸送量對運行速度進行自動控制，以達到降低能耗的目的。

圖1 礦用帶式輸送機的整體結構

2 自動化控制系統整體方案設計

如圖2 所示為根據煤礦帶式輸送機的實際使用需要設計的自動化控制系統整體示意圖。自動化控制系統在運行時通過傳感器及監(jiān)測儀表對2 臺電動機的轉速、帶式輸送機的皮帶運行速度及實際運輸量進行在線連續(xù)監(jiān)測。傳感器監(jiān)測得到的信息通常為模擬量信號，需要經過A/D 轉換模塊進行轉換后獲得數字量信號，才能輸送到PLC 控制器中進行對比分析，從而判斷帶式輸送機的運行速度與煤礦輸送量兩者之間是否匹配。如果兩者之間相互匹配，則繼續(xù)正常運行；如果不匹配，則PLC 控制器下達控制指令，變頻器根據控制指令調整輸出的電壓頻率，實現對電動機輸出轉速的控制，最終實現對皮帶運行速度調整的目的。另外，PLC 控制器還通過工業(yè)以太網與上位機進行連接，可以將傳感器的監(jiān)測結果以及分析判斷結果在監(jiān)視器中進行實時顯示，以便工作人員可以實時掌握帶式輸送機的運行情況。

圖2 自動化控制系統整體結構示意圖

自動化控制系統為2 臺電動機分別配備了變頻器，為了確保2 臺電動機之間的功率平衡，將其中1臺變頻器作為主控變頻器，另外1 臺變頻器作為從動變頻器。PLC 控制器只需要對1 臺主控變頻器下達控制指令即可，另外1 臺從動變頻器根據主控變頻器的輸出電壓頻率進行調整。這樣可以確保2 臺變頻器的輸出電壓頻率完全相同，從而確保它們之間的功率平衡。

3 自動化控制系統主要硬件設計

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器相當于自動化控制系統的“大腦”，其對系統運行的可靠性和穩(wěn)定性有著非常重要的影響。在充分考慮煤礦當前及未來發(fā)展實際情況的基礎上，最終選用的是西門子公司生產研制的S7-1200 型PLC 控制器。該型號控制器內嵌有A/D轉換模塊，可以同時接收模擬量信號和數字量信號，各類傳感器監(jiān)測得到的信號就可以直接傳輸到PLC控制器中進行分析處理，不需要對其進行轉換，簡化了整個控制系統的結構。此外，控制器內部還嵌套有PM1207 型電源模塊，可以為PLC 控制器的運行提供24 V 直流電源。通信模塊的型號為CM1243-5，作用是基于工業(yè)以太網與上位機進行數據通信，以及基于ProfiBUS 通信協議與變頻器進行通信，實現控制指令的下達。如圖3 所示為S7-1200 型PLC 控制器的現場圖片。

圖3 S7-1200 型PLC 控制器的現場圖片

3.2 變頻器

自動化控制系統中變頻器的作用是將固定的電壓頻率轉換成可以調節(jié)的電壓頻率，并與電動機連接。通過改變電動機的輸入電壓頻率，實現電動機運行速度的精確控制。結合實際情況選用的變頻器型號為6ES71，該型號變頻器同樣由西門子公司生產研制，額定功率為200 kW，可以輸出的電壓頻率范圍為30～65 Hz。每臺電動機都配備了1 臺變頻器，每臺變頻器又專門配備了配電柜，如圖4 所示為6ES71 型變頻器的電路設計方案。配電柜內設置有斷路器，實現對變壓器電源的控制，特殊情況下可以直接切斷變頻器的電源。而電動機的啟動、停止及運行速度，則由變頻器進行控制。

圖4 6ES71 型變頻器的電路設計方案

3.3 傳感器

自動化控制系統中使用的傳感器主要有三種，分別為：一是編碼器，型號為E50S8，作用是對2 臺電動機的輸出轉動速度進行監(jiān)測；二是速度傳感器，型號為CYT9250A，作用是對帶式輸送機皮帶的運行速度進行監(jiān)測；三是電子皮帶秤。如圖5 所示為電子皮帶秤的結構示意圖。其工作原理就是將重量傳感器內嵌到托輥中，當皮帶在電子皮帶秤托輥中運行時，可以對皮帶上方的煤礦物料質量進行實時監(jiān)測。

圖5 電子皮帶秤的結構示意圖

4 實踐應用效果評價

將設計的礦用帶式輸送機自動化控制系統應用到煤礦工程實踐中，并對其進行連續(xù)3 個月的觀察與監(jiān)測，發(fā)現其整體運行效果良好，取得的效果可以從以下幾個方面進行評價：

1）自動化控制系統的實踐應用，使得帶式輸送機能夠實現自動化運行，顯著提升了煤礦企業(yè)的自動化水平，為提升煤礦開采效率奠定了堅實的基礎。

2）保證了2 臺電動機之間的功率平衡，提升了設備運行過程的穩(wěn)定性和可靠性，降低了設備運行的故障率，從而降低了設備的運行維護保養(yǎng)成本。

3）設備可以根據實際運輸的煤礦物料質量對運行速度進行調整控制。統計分析表明，設備每年消耗的電力能源可以降低10%左右。

綜上，自動化控制系統在礦用帶式輸送機中的實踐應用取得了很好的經濟效益和社會效益，得到了煤礦企業(yè)人員的一致認可。