梁國(guó)華

（華陽(yáng)集團(tuán) 一礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引 言

帶式輸送機(jī)是一種能夠進(jìn)行連續(xù)運(yùn)輸作業(yè)的設(shè)備。通常情況下，為保障帶式輸送機(jī)在井下平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)容量相對(duì)較大，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，即帶式輸送機(jī)一直恒速運(yùn)行，造成電能浪費(fèi)，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用偏高。針對(duì)這一情況，以華陽(yáng)一礦DTL120型帶式輸送機(jī)作為研究對(duì)象，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

華陽(yáng)一礦年產(chǎn)煤量達(dá)850萬(wàn)t，帶式輸送機(jī)是該礦主要的運(yùn)輸設(shè)施。因?yàn)槟戤a(chǎn)能較大，因此對(duì)煤炭運(yùn)輸要求較高。該礦DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Belt conveyor structure

該型號(hào)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒布置在機(jī)頭位置，換向滾筒布置在機(jī)尾位置。機(jī)頭布置2各驅(qū)動(dòng)滾筒，其中一個(gè)滾筒兩端各裝1臺(tái)防爆電機(jī)（型號(hào)YBPS450-4)，另一個(gè)滾筒一端安裝防爆帶電機(jī)（YBPS450-4)、另一端安裝制動(dòng)器(SHI202/D2000)。帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中遇到突發(fā)情況時(shí)，可通過(guò)制動(dòng)器進(jìn)行緊急制動(dòng)，避免故障擴(kuò)大化。

DTL120型帶式輸送機(jī)在華陽(yáng)一礦實(shí)際運(yùn)行中存在以下不足：?jiǎn)?dòng)過(guò)程為“硬啟動(dòng)”，沖擊較大；恒速運(yùn)行，不能根據(jù)運(yùn)輸量進(jìn)行調(diào)整，能耗高。

驅(qū)動(dòng)滾筒換向滾筒

2 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)該型號(hào)帶式輸送機(jī)存在的問題，進(jìn)行控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，方案設(shè)計(jì)如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)主要由變頻器、配電柜、傳感器、PLC、交換機(jī)、上位機(jī)等組成。為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)，該系統(tǒng)內(nèi)置S形曲線啟動(dòng)模式，降低設(shè)備啟動(dòng)產(chǎn)生的沖擊。

圖2 方案設(shè)計(jì)框架Fig.2 Scheme design framework

帶式輸送機(jī)電力線路主要為3個(gè)配電柜，分別對(duì)應(yīng)1個(gè)變頻器（型號(hào)6ES71)。電機(jī)功率、電流通過(guò)功率采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；運(yùn)輸量通過(guò)電子膠帶秤進(jìn)行檢測(cè)；輸送帶運(yùn)行速度由速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。PLC控制器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，若不協(xié)調(diào)，則下達(dá)控制指令，調(diào)整變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，使輸送量和運(yùn)行速度相匹配。各傳感器采集的數(shù)據(jù)也會(huì)同步顯示在顯示屏上，操作者可實(shí)時(shí)了解帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計(jì)

華陽(yáng)一礦DTL120型帶式輸送機(jī)自控系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 硬件構(gòu)成Fig.3 Hardware configuration

3.1 PLC控制器

PLC控制器的性能決定了自控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。綜合分析現(xiàn)有PLC種類和性能，結(jié)合華陽(yáng)一礦實(shí)際情況，選擇S7-1200型PLC控制器，其CPU模塊為1214C DC/DC/DC，該模塊的數(shù)字量輸入接口14個(gè)、輸出接口10個(gè)；模擬量輸入接口數(shù)量2個(gè)，可很好的滿足系統(tǒng)需求。數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換模塊型號(hào)為SM1221 DI8×24V DC，通信模塊選用CM1243-5及CM1241，CM1243-5用于控制器與變頻器間的通訊，CM1241用于控制器與各類傳感器間的通訊。選用PM1207型直流電源模塊，為PLC各模塊進(jìn)行供電，確保穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 變頻器

設(shè)計(jì)的自控系統(tǒng)方案中，帶式輸送機(jī)3臺(tái)電機(jī)各配有1個(gè)變頻器，為保證控制器與變頻器相互兼容，選用6ES71型變頻器，額定功率800 kW，額定電流860 A，輸入電壓660～690 V，允許最大瞬時(shí)電流1 170 A。

通過(guò)對(duì)比分析，此次設(shè)計(jì)利用PWM逆變器同時(shí)調(diào)整頻率和電壓，并增加二極管進(jìn)行整流處理。PWN逆變效果顯著，可有效提高功率因數(shù)，并避免電能浪費(fèi)，應(yīng)用廣泛，其主電路如圖4所示。

圖4 PWN變頻器主電路Fig.4 Main circuit of PWN inverter

3.3 主要檢測(cè)傳感器

（1）電子膠帶秤。主要對(duì)運(yùn)輸物料情況進(jìn)行檢測(cè)。電子膠帶秤種類較多，根據(jù)華陽(yáng)一礦實(shí)際情況，為提高自控系統(tǒng)的可靠性，選擇精度較高的ICS-ST型電子膠帶秤，誤差范圍0.25%～1.00%，許可運(yùn)行速度范圍0.1～5.0 m/s，稱重范圍10～1 000 t/h，能夠滿足華陽(yáng)一礦生產(chǎn)需要。該裝置由支架、速度傳感器、重量傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊組成，單位時(shí)間內(nèi)重量與速度的比值即為煤炭流量。為確保煤礦井下安全，所有元器件均為本質(zhì)安全型。

（2）速度傳感器。速度傳感器主要作用是采集輸送帶的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。其原理是在驅(qū)動(dòng)滾筒軸心固定永久磁鐵片，將傳感器（GSH5型）布置在滾筒附近支架上。皮帶運(yùn)行時(shí)，磁鐵片做圓周運(yùn)動(dòng)，傳感器靜止，當(dāng)磁鐵片經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，利用霍爾原理即可得出滾筒旋轉(zhuǎn)速度，從而得到輸送帶運(yùn)行速度。

（3）功率采集模塊。功率采集模塊型號(hào)為EDA9033A，用于采集3臺(tái)電機(jī)運(yùn)行中的電力信息，含功率、電流、電壓等數(shù)據(jù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC軟件程序

（1）啟動(dòng)程序。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)流程如圖5所示。為防止帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)快對(duì)零部件造成損害，采用S形曲線啟動(dòng)模式，減少啟動(dòng)沖擊。

圖5 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)流程Fig.5 Starting process of belt conveyor

（2）平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)速度調(diào)整程序。煤炭開采時(shí)產(chǎn)量具有波動(dòng)性，自控系統(tǒng)不能過(guò)于靈敏，否則受煤炭產(chǎn)量的波動(dòng)影響，PLC控制器頻繁對(duì)帶速調(diào)整，帶式輸送機(jī)無(wú)法平穩(wěn)運(yùn)行。所以應(yīng)結(jié)合煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行煤炭流量區(qū)間劃分，一個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)速度值，如圖6所示。

圖6 帶式輸送機(jī)速度控制流程Fig.6 Speed control process of belt conveyor

4.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)對(duì)帶式輸送機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以進(jìn)行指令下達(dá)，遠(yuǎn)程控制帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況。上位機(jī)程序在WinCC 7.3組態(tài)軟件中完成，主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控界面。

系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理等方面，為保障系統(tǒng)安全，不同用戶具有相對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)，查看權(quán)限、范圍也有所不同。數(shù)據(jù)管理主要對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)等進(jìn)行歸類并存儲(chǔ)，并基于此實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢。監(jiān)控界面是將運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，幫助操作者隨時(shí)掌握帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況。

5 效果評(píng)價(jià)

按照上述方案，將控制系統(tǒng)應(yīng)用到華陽(yáng)一礦DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)中。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，投用后整體運(yùn)行良好，無(wú)明顯故障。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段，按照系統(tǒng)內(nèi)置S形曲線方式啟動(dòng)，設(shè)備平穩(wěn)啟動(dòng)，沖擊較小。帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行階段，控制系統(tǒng)根據(jù)電子膠帶秤反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻器輸出頻率控制，實(shí)現(xiàn)輸送帶速度調(diào)整。自控系統(tǒng)投用前后7 d數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 自控系統(tǒng)投用前帶式輸送機(jī)恒速運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Data statistics of constant speed operation of belt conveyor before the use of automatic control system

圖8 自控系統(tǒng)投用后帶式輸送機(jī)變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.8 Frequency conversion operation data statistics of belt conveyor after the use of automatic control system

自控系統(tǒng)投用前帶式輸送機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)，連續(xù)7 d噸煤耗電量分別為2.48、2.54、2.52、2.54、2.57、2.60、2.62 kW·h，平均噸煤耗電量2.55 kW·h；自控系統(tǒng)投用后，連續(xù)7 d噸煤耗電量分別為2.02、1.99、2.01、2.03、1.96、2.05、2.01 kW·h，平均噸煤耗電量2.01 kW·h。由此可見，采用自控系統(tǒng)后，噸煤耗電量有所下降，降幅21.28%，為企業(yè)生產(chǎn)降低電費(fèi)投入。此外，采用自控系統(tǒng)后，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，有利于降低設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本。

6 結(jié) 語(yǔ)

華陽(yáng)一礦自控系統(tǒng)投用后，帶式輸送機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，沖擊力下降；運(yùn)行過(guò)程中可根據(jù)煤炭流量進(jìn)行輸送帶速度調(diào)整，噸煤耗電量下降21.28%，節(jié)能降耗；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，降低了維護(hù)保養(yǎng)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。