帶式輸送機能耗優化控制系統的設計研究

李澤亨

（晉能控股煤業集團忻州窯礦， 山西 大同 037001）

引言

在煤礦生產中，帶式輸送機屬于礦井不可缺少的輸送設備，其組成構件有輸送帶、驅動裝置、張緊裝置、滾筒、托輥等[1]，其中輸送帶是用來承載物料和牽引物料，有普通、鋼絲繩芯以及鋼絲繩牽引三類；驅動裝置部件主要是驅動滾筒，礦井中一般多采用雙滾筒；張緊裝置是對輸送帶進行張緊，避免物料運輸中出現打滑現象，延長輸送帶使用壽命；托輥是用來承載輸送帶，降低動作阻力，保證輸送帶的平穩運行[2]。因此，帶式輸送機的工作原理是將輸送機的驅動、轉向滾筒通過輸送帶進行連接，并利用上下托輥支撐，張緊裝置對其松緊作用，當系統動作時，驅動滾筒和輸送帶作用形成的摩擦阻力來為系統提供動力源，帶動輸送帶進行動作，同時，帶動輸送帶上的物料或物件一起動作，并完成卸載卸貨[3]。所以，本文以帶式輸送機為對象，提出一種新型輸送機能耗優化控制系統，來實現帶式輸送機的節能高效運行，保證煤礦的安全高效開采。

1 能耗優化控制系統的總體結構設計

圖1 為煤礦輸送機優化控制系統的整體結構圖，其中，系統組成包括：上位監控系統、PLC 控制系統、變頻驅動系統、帶式輸送機保護系統、信號監測裝置以及通信裝置等[4]。具體是利用以太網，將PLC 控制器同上位機軟件進行相連接，并利用通訊協議PROFIBUS 相連接與變頻器，進行控制系統運行節能的實時通信。對于能耗優化控制系統，上位機對PLC發出指令，并利用變頻器裝置，PLC 控制器來驅動電機，實現能耗優化控制。速度傳感器將收集到的速度信息傳送給控制器PLC，然后再傳輸給上位機系統，實現輸送機的遠程監控。

圖1 輸送機能耗控制系統的總計結構圖

2 能耗優化控制系統的硬件設計

本文中，變頻器選用6ES71 西門子，PLC 為系統主控制器。帶式輸送機能耗控制系統硬件包括有PLC控制、信息傳輸以及傳感器技術等，圖2 為輸送機控制系統的硬件設計圖。

圖2 帶式輸送機系統硬件結構圖

圖2 中，能耗控制系統運行時，PLC 控制器接收來自上位機發出的指令，并利用變頻器、PLC 控制來進行電機驅動，完成節能運行控制；PLC 接收來自速度傳感器收集的速度值、保護傳感器收集的輸送機動作情況、電子皮帶秤監測的煤流量以及功率模塊收集的電動機和變頻器的相關信息等，最終通過PLC 控制器傳給上位監控系統，實時對輸送機的運行情況進行監測。其中，PLC 控制要留有足夠的裕量，便于系統的維護和擴充分配；變頻器不僅要擁有很好的調速外，還能適應負載變化，可應用于各種調速系統[5-6]；煤流量監測系統是通過皮帶秤來監測煤流量；功率監測系統，采用三相功率采集模塊EDA9033A 對輸送機的功率消耗進行監測，其電流量程是1×1 000 A，電壓量程是10×500 V，三臺變頻器配備三臺功率采集模塊；綜合保護傳感器，將統一收集所有傳感器的數據信息都傳給綜合保護裝置，經過整理后又傳給PLC控制器，并進行打包處理以TCP 協議傳給監控系統，進而對輸送機動作情況完成實時顯示與存儲，還可實時報警。

3 能耗優化控制系統的軟件設計

由于系統的硬件配置是各自獨立的，需用軟件將其連接從而構成一個完整的體系。本文中，利用西門子TIA Portal 軟件控制設計來實現PLC 控制程序[7]，同時，選用西門子WinCC7.3 編程軟件進行組態設計。

對于輸送機的智能化系統，主程序主要是調用子程序，便于集中和分散管控帶式輸送機的運輸系統，并采用模塊化的理念來設計智能系統控制的主程序，同時，節能調速控制程序設計也是選用基于PLC 模糊控制器[8]。其中，智能控制系統主程序設計圖如圖3所示。

圖3 輸送機智能系統的主程序結構圖

啟動程序設計：輸送機是利用變頻器的變頻調速實現調速啟動，也就是“S”型模式，啟動初始時段，頻率增加緩慢，10 s 延緩后進入“S”型加速時段，當速度大小達到皮帶運行的設定值后，實現輸送機的平穩安全啟動。

功率平衡程序設計：選用功率平衡控制程序能夠避免出現采用多電機功率分配不均等的現象，使電機的驅動頻率始終維持在預設值左右范圍內，實現電機的均衡動作運行。

能耗優化控制程序設計：由于在礦井生產中，煤流量是不斷變化的，如若對輸送機進行反復調速運行，不僅提高了設備的磨損率，且不利于節能。本文設計將煤流量分為[Q0，Q1]、[Q1，Q2]、…、[Qn-1，Qn]n 個區間范圍，且對應每個區間的皮帶動作速度是v0、v1、…、vn-1，并依據電子皮帶秤監測煤流量大小區間，對運行速度進行確定，實現輸送機的能耗優化控制。輸送機優化控制程序如圖4 所示。

圖4 帶式輸送機調速控制流程圖

綜合保護程序設計，利用PLC 控制器和KT101型綜合保護控制器對系統保護設計。當系統正常動作時，保護系統也按程序動作；當輸送帶出現打滑現象時，轉為對溫度監測，如溫度超限，系統執行打滑報警或者停機，同時啟用灑水裝置進行冷卻降溫；當出現溫度超限而輸送帶不打滑時，轉為對煙霧監測，如煙霧超限，系統執行火情報警或者停機，同時也啟動灑水裝置。

WinCC 上位機軟件設計，選用WinCC7.3 西門子組態軟件，其組成包括通訊與變量管理、消息報警、圖形、報表、變量歸檔以及用戶管理等系統。此外，WinCC 軟件是利用S7-1200PPLC 通信來進行驅動，擁有視覺化界面以及系統化網絡管理水平[9]。在輸送機控制系統中，通過以太網和PLC 建立通信，PLC 接收來自上位機發出的指令，完成對輸送機的控制，還可利用上位機界面對帶式輸送機的運行情況進行實時顯示，便于觀察輸送機的運行情況。因此，上位機組成結構包括界面顯示、系統管理和數據管理三部分，其設計結構圖如圖5 所示。

圖5 帶式輸送機上位機系統結構圖

為驗證采用帶式輸送機能耗優化控制系統的節能效果，本文以某煤礦用帶式輸送機的具體參數為對象，進行節能分析。其中帶式輸送機主要參數有全年設計產量3.2 Mt/年，煤運量為800 t/h，帶速4.0 m/s，電機電壓660 V、功率250 kW，數量3 臺，此外，全年工作日天數300 d，一天工作18 h。在全年額定年產量下，煤流量。因此，帶式輸送機的冗余比

綜上，輸送機的額定運量和實際運量之間存在冗余差值。依據煤流量和皮帶帶速成正比的關系，可計算出煤流量和帶速這兩個參數的匹配數值。

在輸送機能耗優化控制系統改造前，輸送機始終以恒定速度運行，因此，其消耗的功率就是額定功率，若按照全年產量算，所需電量W前=3×250×300×18=4 050 000 kW·h。

改造后，輸送機的速度由實際煤運量和速度的匹配關系決定，按平均運量計算，運量與帶速在輸送帶強度一定時成正比關系[10]。因此，當煤運量是593 t/h時，輸送機的速度是3 m/s，電動機功率是550 kW，改造后的電量W后=550×300×18=2 970 000 kW·h。

4 結語

本文以帶式輸送機為對象，提出一種新型帶式輸送機能耗優化控制系統。設計了基于PLC 的模糊控制器，可依據煤流量大小對皮帶運行速度進行自動調節，實現其智能控制系統；還對輸送機的硬件和軟件設計研究，并利用上位機軟件WinCC 和PLC 控制器進行通訊連接，實現輸送機的運行狀況實時監測和遠程控制，實際應用結果表明節能效果明顯。