冀鵬沖

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

皮帶輸送機(jī)作為一種連續(xù)搬運(yùn)物料的設(shè)備，具有運(yùn)輸簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、可運(yùn)輸復(fù)雜線路等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤礦在日常生產(chǎn)過程中，是運(yùn)輸煤炭的主要設(shè)備之一[1-2]。隨著國內(nèi)技術(shù)的深化改革，煤礦的生產(chǎn)技術(shù)日益發(fā)展，對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸技術(shù)提出了更高的要求，并且隨著供給側(cè)改革的推進(jìn)，煤炭企業(yè)對(duì)節(jié)能減排越來越重視，帶式輸送機(jī)作為煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，其能耗效率是煤炭節(jié)能的重點(diǎn)之一[3-4]。目前，國內(nèi)大多數(shù)煤礦帶式輸送機(jī)采用恒速的運(yùn)行方式，這樣不但增加了設(shè)備的磨損率，降低了設(shè)備的使用壽命，也造成了電能的浪費(fèi)[5]。因此，本文針對(duì)傳統(tǒng)皮帶運(yùn)輸機(jī)的節(jié)能運(yùn)行進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于PLC 的控制系統(tǒng)。

1 皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

皮帶運(yùn)輸機(jī)利用電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，通過減速器降速增扭，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，利用輸送帶承載與運(yùn)輸物料。整個(gè)皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、皮帶、減速器、托輥、控制系統(tǒng)及綜合保護(hù)裝置等設(shè)備。

皮帶輸送機(jī)在設(shè)計(jì)初期時(shí)，根據(jù)煤礦的生產(chǎn)需求與運(yùn)載量來確定整機(jī)的功率、速度等參數(shù)。在正常工作過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，輸送帶保持恒定的運(yùn)行速度，但是在實(shí)際過程中，由于開采條件的限制與地質(zhì)環(huán)境的影響，輸送帶工況條件不穩(wěn)定，負(fù)載波動(dòng)較大，設(shè)備造成的功能損耗嚴(yán)重。

本文對(duì)皮帶輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的阻力進(jìn)行分析，根據(jù)阻力產(chǎn)生的原因及作用效果將其分為3類：基本阻力、傾斜阻力與附加阻力?；咀枇υ谒凶枇χ姓急茸畲螅饕杏谄л斔蜋C(jī)的中部，其主要由托輥的運(yùn)行阻力、壓陷阻力和物料的擠壓阻力等部分組成。由于皮帶輸送機(jī)受礦井環(huán)境影響，在裝載部位和卸料部位之間有一定的高度差，所以運(yùn)輸線路與地面之間存在傾角，造成了設(shè)備的傾斜阻力。皮帶輸送機(jī)的附加阻力主要產(chǎn)生于各零部件之間的摩擦變形，如改向滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，材料發(fā)生變形產(chǎn)生的阻力、驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力、煤料落到輸送帶上時(shí)沖擊產(chǎn)生的阻力等。

2 控制系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)的皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案如圖1 所示，系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC 控制器、傳感器模塊、電參數(shù)信號(hào)采集模塊與變頻器等裝置組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)輸機(jī)的工作狀態(tài)及各參數(shù)信號(hào)，方便工作人員的統(tǒng)一調(diào)度，主要由組態(tài)軟件與計(jì)算軟件等組成。PLC 為控制系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)接收各傳感器傳輸回來的模擬與數(shù)字信號(hào)，通過邏輯運(yùn)算與數(shù)據(jù)分析，控制變頻輸出，從而實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的變頻控制，其還具有以太網(wǎng)通信模塊，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息傳輸功能。電參數(shù)信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)測(cè)量皮帶輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的電流、電壓與功率等電參數(shù)信號(hào)，為變頻控制及故障診斷提供數(shù)據(jù)參考。傳感器模塊主要包括速度傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器與堆煤傳感器等，負(fù)責(zé)測(cè)量皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中的模擬量信號(hào)。變頻器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，通過PLC 控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的。

圖1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)的硬件包括處理器、變頻器、綜合保護(hù)裝置、電參數(shù)信號(hào)采集模塊與傳感器模塊組成，以下將對(duì)這幾部分進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

3.1 處理器及變頻器選型

本系統(tǒng)的核心處理器選用可編程控制器，其具體功能主要有3點(diǎn)：信號(hào)采集、故障判斷及控制與人機(jī)交互功能。根據(jù)系統(tǒng)輸入與輸出點(diǎn)的分配需求，本文選用某公司生產(chǎn)的Q 系列PLC 控制器，該系列控制器的功能較全，擴(kuò)展模塊的數(shù)量較多，可搭配遠(yuǎn)程控制模塊使用，并且控制器還具有體積小、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)?？刂破靼蠧C-LINK模塊，可大幅降低工作人員編譯程序的時(shí)間，降低擴(kuò)展開發(fā)的難度。

皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)選用的SIMOVERT MV變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，變頻器的基本組成部分有整流器、逆變器和直流母線等組成。整流器是由2個(gè)三相二級(jí)管搭接而成，負(fù)責(zé)將輸入的交流電源整流為直流電源；直流母線由電容器與晶閘管組成，負(fù)責(zé)傳輸整流之后的直流電流；逆變器6 個(gè)IGBT模塊組成，負(fù)責(zé)將直流電源逆變?yōu)樗桀l率的交流電源。

3.2 傳感器模塊選型

傳感器模塊主要包括速度傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器與堆煤傳感器等，用于測(cè)量皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中的模擬量信號(hào)。

速度傳感器采用光電傳感器，主要由探頭和摩擦滾筒組成，通常安裝于皮帶的背面，依靠重力作用貼附與皮帶，具有測(cè)速精度高，抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。速度傳感器主要用于檢測(cè)皮帶的運(yùn)行速度，判斷是否發(fā)生打滑、超速等故障。跑偏傳感器采用CEJ4裝置，在輸送機(jī)的首尾各安裝一組，在較長(zhǎng)線路每隔300 m一組，對(duì)皮帶的位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)偏移中心線大于12°時(shí)，裝置自動(dòng)報(bào)警。煙霧傳感器選用礦用氣敏型探頭，當(dāng)檢測(cè)到煙霧的區(qū)域濃度大于或等于0.15 mg/m3時(shí)，裝置將自動(dòng)報(bào)警。溫度傳感器采用集合測(cè)溫裝置，可設(shè)定報(bào)警溫度及警示范圍，利用測(cè)溫探頭測(cè)量區(qū)域的溫度，當(dāng)超過或低于設(shè)定闕值時(shí)，裝置報(bào)警。堆煤傳感器采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，利用凸輪裝置檢測(cè)煤倉的煤位，當(dāng)煤料的傾角大于30°后，裝置自動(dòng)報(bào)警，展開清掃動(dòng)作。

4 控制系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)主程序流程提如圖2 所示，系統(tǒng)初始化后，分別執(zhí)行自檢子程序、串口通信子程序、信號(hào)采集子程序、故障診斷子程序。系統(tǒng)根據(jù)稱重傳感器上采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)，分別執(zhí)行3種不同的調(diào)速方式，以充分利用電能，達(dá)到節(jié)能效果。

圖2 控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速的控制方式，具有較好節(jié)能效果與控制精度。系統(tǒng)通過各信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保障設(shè)備的安全性與可靠性，并根據(jù)皮帶上的煤料質(zhì)量，調(diào)節(jié)皮帶的運(yùn)行模式，進(jìn)一步提高能源利用率。