董志勇

（華陽(yáng)二礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

帶式輸送機(jī)作為煤炭物料裝載運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備之一，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在煤炭物料運(yùn)輸方面起到了重要的作用。在智能化發(fā)展時(shí)代，有必要在帶式輸送機(jī)智能控制方面取得進(jìn)步。通過(guò)智能化技術(shù)的作用，能夠降低帶式輸送機(jī)的運(yùn)行能耗，同時(shí)使得帶式輸送機(jī)的皮帶運(yùn)行速度能夠保持在經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)暮侠韰^(qū)間內(nèi)，使速度與煤炭裝載量達(dá)到平衡狀態(tài)。目前，帶式輸送機(jī)等大型設(shè)備在開(kāi)采過(guò)程中總耗電量最高可占到80%[2]，在降低電能消耗方面有較大的進(jìn)步空間。通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)在滿載、輕載、空載三個(gè)不同裝載狀態(tài)下的能源損耗問(wèn)題進(jìn)行研究，使皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度能夠在不同裝載條件下保持在合理的區(qū)間內(nèi)。通過(guò)帶式輸送機(jī)的智能調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)降低，使得帶式輸送機(jī)達(dá)到綠色節(jié)能減排的目的。該研究成果為煤礦企業(yè)對(duì)綠色節(jié)能技術(shù)的研發(fā)提供了依據(jù)。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行阻力分析

1.1 結(jié)構(gòu)

常規(guī)的礦用帶式輸送機(jī)主要由機(jī)架、皮帶、驅(qū)動(dòng)裝置、托輥等部件組成。以常用的DTL180/4-2240型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，該型號(hào)帶式輸送機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)超長(zhǎng)距離和大功率裝載輸送，并且采用的是雙滾筒結(jié)合三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)帶式輸送機(jī)[3]。其在工程應(yīng)用中能夠很好地適應(yīng)礦井內(nèi)惡劣的工作環(huán)境，并且可拓展性和移動(dòng)性較好，能夠根據(jù)工作面的轉(zhuǎn)移展現(xiàn)出高性能的機(jī)動(dòng)性。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 DTL180/4-2240型帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 運(yùn)行阻力

帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的輸出動(dòng)力和運(yùn)行所受到的阻力形成了一對(duì)相互作用體系。由于帶式輸送機(jī)的零部件較多，各個(gè)零部件之間都有可能在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生相反作用力的特殊阻力。DTL180/4-2240型帶式輸送機(jī)的主要阻力包括物料加速產(chǎn)生的阻力、滾筒阻力、清掃器阻力、皮帶壓陷阻力、物料彎曲阻力等類型。在不同的運(yùn)行狀態(tài)下，所產(chǎn)生的阻力類型各不相同。同時(shí)產(chǎn)生阻力的摩擦系數(shù)會(huì)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)而發(fā)生變化。通常帶式輸送機(jī)處于良好工況狀態(tài)時(shí)，摩擦系數(shù)最小。隨著開(kāi)采過(guò)程的深入，摩擦系數(shù)將逐漸增大，從而影響到電機(jī)的輸出功率。因此可通過(guò)減小阻力的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降低能耗的作用，在設(shè)計(jì)智能調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)也將該優(yōu)勢(shì)考慮在內(nèi)。

2 智能控制方法的研究

2.1 煤流量監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)煤流量與皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度相統(tǒng)一，設(shè)計(jì)出精確的測(cè)量工具是關(guān)鍵。在帶式輸送機(jī)的底部安裝電子皮帶秤，通過(guò)A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以發(fā)射γ 射線的方式對(duì)皮帶上的煤炭在單位內(nèi)的重量進(jìn)行精確測(cè)算[4]。測(cè)量出的煤炭重量數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算器發(fā)送至PLC進(jìn)行核心處理，并且能夠在后臺(tái)的顯示器上輸出關(guān)鍵的參數(shù)信息。電子皮帶秤結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 電子皮帶秤結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 皮帶速度與煤流量匹配分析

由于礦井開(kāi)采機(jī)械產(chǎn)生的煤炭物料質(zhì)量不會(huì)始終保持統(tǒng)一的穩(wěn)定狀態(tài)，而且輸送機(jī)的運(yùn)煤量會(huì)出現(xiàn)輕載、重載等交替運(yùn)輸情況，設(shè)計(jì)智能調(diào)速系統(tǒng)是為了更好地將皮帶速度與煤流量進(jìn)行匹配，達(dá)到最優(yōu)的平衡輸送關(guān)系。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)煤炭的運(yùn)載量越高時(shí)，皮帶的轉(zhuǎn)速就越快，反之就越慢。煤流量與帶速、功率的關(guān)系示意圖如圖3 所示。由圖3 可以看出，煤流量和帶速對(duì)輸送機(jī)的功率影響較大，當(dāng)帶速保持恒定時(shí)，不利于充分輸出電機(jī)功率。

圖3 煤流量Q、帶速v、功率P 之間的相互關(guān)系

2.3 電機(jī)功率平衡策略分析

影響到帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的因素有很多，不僅包括機(jī)械本身的因素，也包括人為因素的影響。主要是由于在生產(chǎn)或安裝過(guò)程中所造成的差異性機(jī)械特性，可從多個(gè)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)在不平衡狀態(tài)下的機(jī)械特性作為研究突破口，結(jié)合帶速與煤流量的線性比例關(guān)系，提出功率平衡的策略。

帶式輸送機(jī)運(yùn)行能力來(lái)源主要通過(guò)電流輸入的電能，因此以電流作為控制策略的核心依據(jù)。電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率平衡的策略主要包括均值、差值、分組、主從四種控制方案[5]。由于帶式輸送機(jī)通常采用多臺(tái)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，因此電流的主從控制方案更適合作為智能調(diào)速方案的形式。通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)速度、壓力的控制，實(shí)現(xiàn)了主從控制電機(jī)的相互獨(dú)立，互不產(chǎn)生干擾影響，但是當(dāng)主電機(jī)的電流信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，各從屬電機(jī)電流數(shù)值也會(huì)產(chǎn)生同比例的增長(zhǎng)和減小，具體控制流程如圖4 所示。

圖4 主從控制方案原理示意圖

3 智能調(diào)速控制方案的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DTL180/4-2240型帶式輸送機(jī)的智能調(diào)速控制系統(tǒng)主要有上位機(jī)、PLC、傳感器、變頻器等電器部件組成。通過(guò)PROFIBUS 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的全域通信[6]，由PLC 發(fā)送控制命令，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)度室自動(dòng)反饋模塊的判斷識(shí)別后傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，帶式輸送機(jī)在礦井內(nèi)的狀態(tài)將得到實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖5 所示。

圖5 智能調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 硬件選型設(shè)計(jì)

采用西門(mén)子S7-400型PLC 為核心組建輸送機(jī)系統(tǒng)。S7-400 系列PLC的電源模板通過(guò)背板總線向機(jī)架上其他模塊提供工作電壓，但是不給信號(hào)模塊提供負(fù)載電壓。CPU417-4 上集成了MPI 和PROFIBUS DP 接口。其中，PROFIBUS DP 接口可連接分布式I/O，最多可連接32 個(gè)DP 從站。同時(shí)根據(jù)井上、井下、檢修、復(fù)位等工序分配I/O 地址，采用計(jì)數(shù)器模塊、溫度控制器模塊、位置解碼器模塊、凸輪控制器模塊等實(shí)現(xiàn)變頻控制。將測(cè)試皮帶速度的傳感器設(shè)置為4 個(gè)檔位，每個(gè)檔位測(cè)量的限度值分別為1.7 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s。工作電壓為DC 12～24 V、工作電流為5 mA。最后將傳感器布置到帶式輸送機(jī)合理的檢測(cè)位置上，實(shí)現(xiàn)PLC 控制器的集中處理，達(dá)到數(shù)據(jù)采集的功能效果。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)IFIX 組態(tài)軟件編譯，完成帶式輸送機(jī)智能調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面設(shè)計(jì)。其中，通過(guò)I/O 模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的功能，并通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程界面可視化、實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警等模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的功能。系統(tǒng)管理包括權(quán)限管理和人員管理兩類。監(jiān)控界面操作是將各帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)顯示在界面上，方便工作人員進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作及對(duì)突發(fā)情況采取及時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度也將根據(jù)皮帶單位重量?jī)?nèi)的煤炭運(yùn)輸重量而發(fā)生同步的調(diào)節(jié)，各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)在監(jiān)控系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)了清晰明了的呈現(xiàn)，如圖6 所示。

圖6 DTL180/4-2240型帶式輸送機(jī)設(shè)備監(jiān)控界面

4 結(jié)語(yǔ)

智能調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)皮帶速度與煤炭運(yùn)輸重量相匹配的調(diào)節(jié)平衡功能，最大化地發(fā)揮出了帶式輸送機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率，提高了運(yùn)輸效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)反饋，提升了礦井智能化、安全化的管理水平。