王曉飛

（山西蒲縣蘭花蘭興煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041208）

引言

隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，目前的煤礦開采效率越來越高[1]。帶式輸送機(jī)是煤礦開采過程中非常重要的一種運(yùn)輸裝備，其運(yùn)行過程的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)煤礦開采效率有著非常重要的影響[2-3]。帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的機(jī)械裝備，會(huì)消耗大量的電力能源，成為煤礦企業(yè)重要的成本支出之一。然而傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)都是按照恒定速度工作，會(huì)造成大量電力能源浪費(fèi)，不符合我國(guó)正在大力倡導(dǎo)的節(jié)能減排相關(guān)要求[4-5]。若帶式輸送機(jī)可以根據(jù)實(shí)際輸送量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，就可以節(jié)省大量的電力能源[6]。根據(jù)該思路，設(shè)計(jì)研究了礦用帶式輸送機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)輸送機(jī)實(shí)際情況對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)控制。此舉對(duì)于提升煤礦機(jī)械裝備的自動(dòng)化水平，降低煤礦開采成本具有重要的實(shí)踐意義。

1 礦用帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)概述

以某煤礦主斜井中使用的帶式輸送機(jī)為例進(jìn)行分析，該帶式輸送機(jī)具體型號(hào)為DTII80/60/2×160，如圖1 所示為礦用帶式輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。從圖1 中可以看出，整個(gè)帶式輸送機(jī)可以劃分為五大部分，分別為機(jī)頭部位、機(jī)尾部位、張緊裝置、上行托輥和下行托輥，主動(dòng)滾筒位于機(jī)頭部位，通過2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)對(duì)滾筒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)的功率為160 kW，總功率為320 kW。張緊裝置的作用是確保皮帶始終具有一定的張力，防止皮帶與滾筒之間發(fā)生打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。在對(duì)帶式輸送機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)，需要考慮的因素重點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：其一為2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的功率平衡問題，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性；其二為設(shè)備的節(jié)能減排問題，要求能根據(jù)實(shí)際輸送量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)控制，以達(dá)到降低能耗的目的。

圖1 礦用帶式輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

如圖2 所示為根據(jù)煤礦帶式輸送機(jī)的實(shí)際使用需要設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體示意圖。自動(dòng)化控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)通過傳感器及監(jiān)測(cè)儀表對(duì)2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、帶式輸送機(jī)的皮帶運(yùn)行速度及實(shí)際運(yùn)輸量進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。傳感器監(jiān)測(cè)得到的信息通常為模擬量信號(hào)，需要經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換后獲得數(shù)字量信號(hào)，才能輸送到PLC 控制器中進(jìn)行對(duì)比分析，從而判斷帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度與煤礦輸送量?jī)烧咧g是否匹配。如果兩者之間相互匹配，則繼續(xù)正常運(yùn)行；如果不匹配，則PLC 控制器下達(dá)控制指令，變頻器根據(jù)控制指令調(diào)整輸出的電壓頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)行速度調(diào)整的目的。另外，PLC 控制器還通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行連接，可以將傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果以及分析判斷結(jié)果在監(jiān)視器中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以便工作人員可以實(shí)時(shí)掌握帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況。

圖2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)化控制系統(tǒng)為2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別配備了變頻器，為了確保2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的功率平衡，將其中1臺(tái)變頻器作為主控變頻器，另外1 臺(tái)變頻器作為從動(dòng)變頻器。PLC 控制器只需要對(duì)1 臺(tái)主控變頻器下達(dá)控制指令即可，另外1 臺(tái)從動(dòng)變頻器根據(jù)主控變頻器的輸出電壓頻率進(jìn)行調(diào)整。這樣可以確保2 臺(tái)變頻器的輸出電壓頻率完全相同，從而確保它們之間的功率平衡。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器相當(dāng)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的“大腦”，其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性有著非常重要的影響。在充分考慮煤礦當(dāng)前及未來發(fā)展實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，最終選用的是西門子公司生產(chǎn)研制的S7-1200 型PLC 控制器。該型號(hào)控制器內(nèi)嵌有A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以同時(shí)接收模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，各類傳感器監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)就可以直接傳輸?shù)絇LC控制器中進(jìn)行分析處理，不需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。此外，控制器內(nèi)部還嵌套有PM1207 型電源模塊，可以為PLC 控制器的運(yùn)行提供24 V 直流電源。通信模塊的型號(hào)為CM1243-5，作用是基于工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以及基于ProfiBUS 通信協(xié)議與變頻器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)控制指令的下達(dá)。如圖3 所示為S7-1200 型PLC 控制器的現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖3 S7-1200 型PLC 控制器的現(xiàn)場(chǎng)圖片

3.2 變頻器

自動(dòng)化控制系統(tǒng)中變頻器的作用是將固定的電壓頻率轉(zhuǎn)換成可以調(diào)節(jié)的電壓頻率，并與電動(dòng)機(jī)連接。通過改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓頻率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的精確控制。結(jié)合實(shí)際情況選用的變頻器型號(hào)為6ES71，該型號(hào)變頻器同樣由西門子公司生產(chǎn)研制，額定功率為200 kW，可以輸出的電壓頻率范圍為30～65 Hz。每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都配備了1 臺(tái)變頻器，每臺(tái)變頻器又專門配備了配電柜，如圖4 所示為6ES71 型變頻器的電路設(shè)計(jì)方案。配電柜內(nèi)設(shè)置有斷路器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器電源的控制，特殊情況下可以直接切斷變頻器的電源。而電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止及運(yùn)行速度，則由變頻器進(jìn)行控制。

圖4 6ES71 型變頻器的電路設(shè)計(jì)方案

3.3 傳感器

自動(dòng)化控制系統(tǒng)中使用的傳感器主要有三種，分別為：一是編碼器，型號(hào)為E50S8，作用是對(duì)2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；二是速度傳感器，型號(hào)為CYT9250A，作用是對(duì)帶式輸送機(jī)皮帶的運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；三是電子皮帶秤。如圖5 所示為電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理就是將重量傳感器內(nèi)嵌到托輥中，當(dāng)皮帶在電子皮帶秤托輥中運(yùn)行時(shí)，可以對(duì)皮帶上方的煤礦物料質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)踐應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將設(shè)計(jì)的礦用帶式輸送機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，并對(duì)其進(jìn)行連續(xù)3 個(gè)月的觀察與監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其整體運(yùn)行效果良好，取得的效果可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：

1）自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，使得帶式輸送機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，顯著提升了煤礦企業(yè)的自動(dòng)化水平，為提升煤礦開采效率奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2）保證了2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的功率平衡，提升了設(shè)備運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和可靠性，降低了設(shè)備運(yùn)行的故障率，從而降低了設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)成本。

3）設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸?shù)拿旱V物料質(zhì)量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整控制。統(tǒng)計(jì)分析表明，設(shè)備每年消耗的電力能源可以降低10%左右。

綜上，自動(dòng)化控制系統(tǒng)在礦用帶式輸送機(jī)中的實(shí)踐應(yīng)用取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，得到了煤礦企業(yè)人員的一致認(rèn)可。