李林浩

（潞安化工集團潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 忻州 036000）

引言

帶式輸送機由于其結構簡單、可靠性好、運行效率高等優(yōu)點，被廣泛應用于煤礦開采行業(yè)。但是傳統(tǒng)的帶式輸送機在設計時需要考慮過載情況，因此其驅動電機的功率一般較大，但在實際應用中帶式輸送機并不是都處于滿載運行的狀態(tài)，這就務必會增加電能消耗，同時也可能增加設備的磨損，降低設備的使用壽命[1]。因此設計一套驅動電機的電控系統(tǒng)，以解決帶式輸送機在不同工況下對輸入功率不盡相同的需求。

1 輸送機運行狀態(tài)分析

從帶式輸送機驅動電機入手，建立輸送機負載分別與工作阻力、驅動電機轉速以及功率的關系，其中負載與工作阻力的關系是關鍵，由此實現(xiàn)對帶式輸送機的實時控制。根據(jù)輸送機載荷的大小進行調(diào)整，避免設備在空載或者輕載情況下電能的額外消耗[2]。

要構建帶式輸送機工作阻力與其負載之間的關系，首先需要對設備的運行狀態(tài)以及受力進行分析。DTL1500型帶式輸送機工作結構可以簡化為圖1，該型輸送機具有兩個滾筒、三個驅動裝置。帶式輸送機在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，被認為其皮帶處于勻速狀態(tài)，皮帶上重物向下的分力與皮帶的總工作阻力相平衡，根據(jù)總工作阻力、皮帶的運行速度即可計算得到帶式輸送機傳動滾筒的軸端輸入功率，從而獲得驅動電機的輸出功率[3]。

圖1 帶式輸送機結構圖

根據(jù)帶式輸送機的受力情況，可將總工作阻力分為主要阻力、附加阻力以及斜阻力。皮帶在工作狀態(tài)時的所有主要阻力主要由兩部分組成，一是壓陷阻力，二是托輥阻力。壓陷阻力主要是皮帶上重物對皮帶施加的正壓力，使得皮帶與托輥之間的接觸面產(chǎn)生較大的摩擦阻力，該值的大小主要取決于皮帶上重物的質量大小。托輥阻力與托輥的轉速以及皮帶上重物質量密切相關，當皮帶上的載荷增加時，托輥軸承所受的徑向載荷則增大，從而使托輥運行的阻力增大。

2 輸送機驅動電機控制系統(tǒng)總體結構的設計

為DTL1500型帶式輸送機共配置三臺異步驅動電機，為電機配置德國西門子公司所生產(chǎn)的S7TY1型變頻控制器，由變頻器控制驅動電機的輸入電壓與電流的大小，從而對驅動電機輸出功率進行控制?？刂葡到y(tǒng)主要對皮帶機的運行速度、運煤量以及電能消耗進行實時監(jiān)控并進行分析，三者之間的關系由控制系統(tǒng)進行判斷和調(diào)控，達到對帶式輸送機驅動電機的優(yōu)化控制，在保證輸送機的運輸能力的同時，最大限度節(jié)約能耗。

帶式輸送機皮帶速度由速度傳感器采集，皮帶上運輸物料的重量由重力傳感器進行采集，通過變頻器可以得到驅動電機的電流與電壓信號，皮帶機的運行速度、運煤量以及電能消耗三者之間的關系由PLC控制器進行協(xié)調(diào)。該節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件結構主要包括各類傳感器、變頻器、PLC控制器、中央處理與控制器[4]，如下頁圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構設計

上位機通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與PLC控制器實現(xiàn)信息的交互，PLC控制器主要接收輸送機不同位置的傳感器以及檢測儀器的信號，PLC控制器的輸出控制主要是由驅動電機的變頻器完成，實現(xiàn)對電機的轉速、輸出功率的控制。

3 輸送機驅動電機控制系統(tǒng)硬件設備的選型

上位機可對PLC控制器下達指令，并對系統(tǒng)中的各項參數(shù)進行記錄與分析，在對皮帶機驅動電機控制的同時，對設備狀態(tài)進行記錄分析?？刂葡到y(tǒng)主要硬件包括三臺額定功率為800 kW的TYSD620-8型變頻防爆電動機，以及其他主要硬件設備，其選型如下：

1）PLC控制器：選擇德國西門子公司生產(chǎn)的Continent300系列可編程控制器，實現(xiàn)對帶式輸送機轉速的控制，控制器為模塊化、可擴展結構、雙處理器設計，對環(huán)境的適應能力較強。

2）速度傳感器：皮帶速度傳感器為深圳亞科奇LK-G500型傳感器，該型傳感器測量精度高，具有防爆功能。

3）上位機：采用美國戴爾公司的的WK16型計算機，CPU為酷睿八核1.66 GB，系統(tǒng)軟件為Windows 10系統(tǒng)，并配有臨時供電系統(tǒng)。

4）重力傳感器：重力傳感器為霍尼韋爾ZSD-T50系列傳感器[5]，主要對帶式輸送機上貨物的重量進行監(jiān)測。

4 輸送機驅動電機控制系統(tǒng)軟件的設計

軟件系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件設計功能。根據(jù)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件結構設計，需設計帶式輸送機狀態(tài)監(jiān)控功能、數(shù)據(jù)記錄功能、系統(tǒng)管理功能，軟件的結構設計示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件界面

圖3 控制系統(tǒng)軟件結構設計示意圖

系統(tǒng)中各個硬件是相互獨立的，只有通過軟件系統(tǒng)才能將各個設備聯(lián)系起來，從而達到對帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制的目的。在該套系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)的記錄、分析、控制指令、系統(tǒng)管理等都是由軟件實現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)軟件控制的核心PLC控制程序的設計，是借助TIA Portal軟件來完成的，該軟件是由西門子開發(fā)的自動化控制編程軟件，具有較多實用工具，可與Windows系統(tǒng)有較好的兼容性。主機上運行的控制軟件的組態(tài)設計則采用Win CC7.3編程軟件完成，其編程的腳本語言是C語言，由于控制系統(tǒng)結構相對比較簡單，所以實際編程也不復雜[6]。

PLC控制系統(tǒng)軟件與上位機之間的聯(lián)系通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，兩者之間可以互傳指令，實現(xiàn)相互通信，上位機軟件可實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的可視化控制與操作，方便操作人員了解設備狀態(tài)，對于節(jié)能控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)具有重要意義。

5 輸送機驅動電機控制系統(tǒng)的性能測試

在帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件與硬件系統(tǒng)搭建完成后，進行了聯(lián)合調(diào)試，并對控制系統(tǒng)的性能進行了測試。由如圖4所示的帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)的主界面可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了對帶式輸送機的狀態(tài)可視化監(jiān)控、驅動電機控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄與存儲。

可視化監(jiān)控主要是指系統(tǒng)實現(xiàn)了對帶式輸送機實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控，可以通過監(jiān)控數(shù)據(jù)了解帶式輸送機的狀態(tài)；驅動電機功率的控制，是指當帶式輸送機上貨物較少或者沒有貨物時，控制系統(tǒng)能自適應調(diào)節(jié)皮帶輸送機的運轉速率，實現(xiàn)對帶式輸送機的節(jié)能調(diào)速；系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲，是指上位機能將傳感器采集的信號進行存儲，方便后續(xù)調(diào)取查閱。