帶式輸送機智能調速控制系統的應用

高 斌

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司準備隊，山西 壽陽 045400）

0 引言

帶式輸送機是依靠驅動滾筒帶動輸送帶進行循環運行的一種物料運輸設備，具有運行穩定性高、經濟性好、物料運輸方便的特性，被廣泛應用在煤礦物料運輸上。目前多數輸送機系統主要采用了恒定帶速運行模式，輸送機在運行過程中帶速和煤量沒有匹配關系，導致輸送機在多數情況下均為輕載運行，不僅導致了電能的浪費，而且加劇了輸送機零部件的磨損，極大地影響了輸送機系統的運行經濟性和可靠性。

1 智能調速控制系統要求及結構

帶式輸送機智能調速控制系統的目的是根據煤流量的變化，實現對輸送機帶速的靈活調整，達到減少能耗、降低輸送帶磨損的目的。為了滿足運行控制和日常運行維護的需求，要求該智能調控系統滿足以下設計目標[1]：系統能正常運行的核心是對煤流量變化情況的及時監測，因此系統需具備對煤流量變化情況進行不間斷精確監控的能力；系統能夠進行自檢并對輸送機的運行狀態進行檢測，出現異常后能夠快速進行故障原因分析、故障位置定位、故障狀態報警，便于維護人員對故障進行快速排除；輸送機在運行過程中若出現跑偏、過載、打滑、堆煤等問題時，能夠快速啟動故障保護，避免出現安全事故；具備人機交互功能，在上位機監控界面能夠清晰地顯示出輸送機系統的運行狀態，監控人員能夠通過人機交互界面實現對輸送機運行狀態的快速、精確調整。

結合帶式輸送機調控的工作需求，文章提出了一種新的帶式輸送機智能調速控制系統，其采用了基于PLC 控制核心的電容雙冗余技術，控制穩定性好，可靠性高，其系統結構如圖1 所示[2]。

圖1 輸送機智能調速控制系統結構示意圖

在該控制系統中，通過煤量監測傳感器對輸送機上的煤量情況進行監控，通過帶速、溫度、轉速傳感器對輸送機運行的速度及周邊環境溫度等進行監測。系統獲取到煤量信息后，根據預先設定的煤量-帶速對應關系表，輸出輸送機的最佳運行帶速，然后再結合目前的帶速情況，發出調整信號給變頻器，由變頻器控制輸送機的驅動電機，實現對輸送機運行帶速的靈活調整。

該系統采用了3 臺配電柜，用于實現對變頻器運行的一對一專項控制[3]，利用工業以太網數據傳輸量大、抗干擾能力強的優點，實現對PLC 控制器和上位機系統的連接，滿足數據高速通信的需求。利用PROFIBUS 數據通信協議來實現PLC 控制器和變頻控制模塊之間的數據通信，確保對輸送機運行狀態調整的靈活性和可靠性。

2 控制系統硬件結構

輸送機系統的運行環境較為惡劣，對智能控制系統硬件結構運行可靠性的要求高，而且為了滿足節能控制的需求，要求各個硬件結構具有較低的能耗[4]，因此在對輸送機智能控制系統硬件結構選型時，在保證運行可靠性的基礎上，需要選擇靈敏度高、能耗低的零件，而且在硬件系統進行設計時需要優化控制方式，通過模塊化設計和集中控制方式，來滿足可靠、節能的運行需求，該控制系統硬件結構如圖2 所示[5]。

圖2 控制系統硬件結構示意圖

由圖2 可知，作為該硬件系統的核心，PLC 控制器采用了西門子6ES71 型[6]，系統在工作過程中PLC控制器接收來自電子秤的數據信息，對輸送帶上的煤量進行分析，同時接收來自速度傳感器的數據信息，對輸送機的運行帶速進行判斷，確定速度調整數據后將其傳輸給變頻器，控制輸送機驅動電機的運行狀態，進而實現對煤流-帶速的動態調整。

在保護傳感器監測模塊中，設置了堆煤、撕裂、煙霧等傳感器[7]，用于對輸送機的運行狀態進行判斷，及時進行功能性保護動作，提高輸送機在運行過程中的穩定性和可靠性。

3 煤流量監測系統

煤流量監測的準確性和可靠性直接決定了該輸送機智能監測系統的運行穩定性，要求煤流量監測系統在工作過程中不能影響輸送機系統的正常運煤工作，而且對煤流量監測的準確性高、波動量小，本文所提出的煤流量監測系統結構如圖3 所示[8]。

圖3 煤流量監測系統結構示意圖

由于煤流量監測所用的電子秤需要具有較高的可靠性和監測精確性，選擇了ICS-XB 型皮帶秤[9]，該系統包括工控機、避雷器、本質安全箱等。

當輸送機系統在運行過程中，裝有煤的輸送帶從傳感器上通過后，皮帶秤將數據信息傳遞給控制分站，由各分站對監測數據進行分析，確定對應輸送帶上的煤量分布情況，然后將煤量數據傳輸到PLC 控制器中，為帶式輸送機智能調控系統的靈活調整提供數據支撐。

4 系統應用情況分析

以煤礦井下SSJ650/2×22 型帶式輸送機為研究對象，輸送機長度為4.4 km，輸送機運行時的平均帶速為3.9 m/s，在運行過程中采用了恒速運行模式，但由于井下綜采速度的變化，導致輸送機經常處于空載運行狀態，運行耗電量高、輸送機的磨損大。2021 年煤礦啟動輸送機控制系統的技改工作，對輸送機系統進行節能控制改造，通過煤量-帶速匹配運行控制模式，實現了輸送機系統根據煤量情況自動調節運輸帶速。

改造后的輸送機控制系統包括節能模式和恒速模式兩種，能夠根據不同的應用環境進行靈活調整。該智能控制系統投入工作后，輸送機運行時的平均帶速由3.9 m/s 降低到了目前的3.01 m/s，帶速降低了22.8%，年節約電能約108 萬kWh，按0.7 元/kWh 計算，年節約成本75.6 萬元，帶速的降低意味著對輸送機各零部件運行時的磨損降低，年節約配件更換費用約11.4 萬元，極大地提升了煤礦上輸送機系統運行的穩定性和經濟性。

5 結論

為了解決輸送機系統以恒定速度運行存在的能耗高、磨損大、經濟性差的不足，提出了一種新的帶式輸送機智能調速控制系統，對該輸送機運行控制系統的整體結構、煤量監測系統等進行了分析，結果表明：

1）輸送機智能調控系統需要滿足煤量精確監控、運行故障檢測、輸送機運行保護及人機交互四個部分的運行需求。

2）為了滿足節能控制的需求，各個硬件在保證運行可靠性的基礎上需要滿足高靈敏性和低能耗的要求。

3）ICS-XB 型皮帶秤煤流量監測系統在工作過程中不會影響輸送機系統的正常工作，具有靈敏度高，可靠性好的優點。

4）該輸送機智能調速控制系統能夠將輸送機運行時的平均帶速降低22.8%，年節約電能成本75.6 萬元，年節約配件更換費用約11.4 萬元。