矿井带式输送机节能优化与智能控制系统的设计与应用

白田红

（山西阳城阳泰集团竹林山煤业有限公司，山西 阳城 048105）

0 引言

以往由于煤炭产业的机械化程度低，开采效率低下。在向外运输煤炭及矸石时，多数采用短距离、低输送量、低转速的带式输送机。目前，随着煤炭行业的高速发展，煤炭生产及运输机械化程度显著提高，传统的带式输送机已经无法满足煤矿生产能力。因此，多数矿井开始使用长距离、高输送量、高转速的带式输送机。

该带式输送机运行方式以恒速为主，无法随着运输量进行速度调节，输送机在输送较少量煤及矸石或者空载情况时，使得电机出现能量损耗高、运行效率低、设备磨损严重等情况。本文以长距离、高输送量、高转速带式输送机在煤矿应用中存在的缺陷为研究背景，采用计算机控制、编程、传感和智能化控制等技术手段，设计了矿井带式输送机智能控制系统，经试运行，可以达到预期的节能效果。

1 带式输送机智能控制系统硬件设计

在设计控制系统时，能否保障控制器的硬件设计稳定可靠，直接影响着控制系统的使用性能。由于目前多数矿井生产环境恶劣，因此要求控制器的稳定性较高，同时要考虑到矿井已有控制系统是否与设计控制系统存在兼容问题，本次控制器选用西门子的S7-1214PLC型号的主控制器。硬件设计主要包括PLC控制系统设计、煤量监测设计、皮带功率的监测设计以及传感器与变频器的控制设计。如图1所示，为带式输送机智能控制系统硬件结构图。

图1 带式输送机智能控制系统硬件结构示意图

由图中可以看出，设计控制系统的核心为PLC控制器，PLC控制器通过接收上位机传达的控制命令，再通过对变频器的输出进行控制，从而达到对皮带电机的控制；速度传感器可以实时获取带式输送机的输送速度，并向PLC控制器传输信息；皮带秤的作用为实时监测皮带煤流量，向PLC传输数据信息；功率采集模块功能为采集输送机电机及变频器的运行状态信息，并传输数据信息给PLC控制器；各项保护类传感器可以监测皮带是否有堆煤、跑偏或者温度过高等现象，可以将实时的皮带运行状态向PLC控制器传达。PLC控制器将上述所收集到的数据信息进行初步处理，然后上传到上位机系统，煤矿工作人员可以通过操控上位机系统，实现对带式输送机运行状态及运行参数的实时监控。

2 带式输送机智能控制系统软件设计

设计一个完整的控制系统，不仅需要完成硬件的设计，还要对控制系统的软件进行设计。软件设计可以将相互独立的硬件设备串联到一起，组成一个有机的整体，从而实现控制系统的诸多功能，包括：监测目标数据信息的采集及处理，发送控制命令，保持接收数据记录等。本次设计的带式输送机控制系统软件设计主要包含有：PLC程序设计和上位机的设计。

2.1 PLC控制系统程序设计

带式输送机PLC控制系统程序设计主要包含启动程序的设计、调速程序的设计以及综合保护程序的设计。

1）启动程序设计。变频器的启动方式选用“S”型，可以确保皮带机的平稳启动。“S”型启动方式初始阶段增速缓慢，延时10s左右后进入加速阶段。当速度增加到设定数值时开始以恒速运行，并向控制器传达皮带机转速信号，完成皮带机的启动。

2）调速程序设计。在实际的煤矿井下生产中，皮带机运输的煤流量是实时改变的。若设计的控制感应器过于敏锐，可能会导致皮带机不断的随煤流量的不同，运行速度也不断改变，这样会导致皮带运行难以稳定，产生更多能量损耗。因此，为了解决这一问题，设计调速程序时，将煤流量划分为不同的连续的n个区间段，控制系统可以根据煤流量的区间，确定皮带机运行速度，并传达命令给皮带机进行速度调节，以达到皮带机节能的目的。当皮带机煤流量超过其额定运载量时，控制系统将发出超限报警，自动控制皮带机停止运输，为输送机调速程序设计流程图如图2所示。

图2 带式输送机调速程序设计流程图

3）带式输送机综合保护程序设计。带式输送机是煤矿开采中大型的高功率连续运输设备，保障其安全可靠性对煤矿安全生产具有重要意义。本次设计带式输送机配备了各项综合保护传感器，在皮带机实际运输当中，若皮带机发生故障，综合保护传感器可以向PLC控制系统传达保护信号，及时控制皮带机停止运行，保障皮带机的安全运行。同时，不同事故会发出相应的报警信息，可以有效的进行维护修理。

2.2 上位机软件设计

上位机在带式输送机智能控制系统中，通过以太网建立纽带与PLC控制器进行连接。上位机通过可视化界面操作，向PLC控制器发送指令对带式输送机进行远程控制。同时，煤矿工作人员可以通过操控上位机，实现远程可视化监控输送机的运行状态及运输参数，为上位机软件结构图如图3所示，上位机软件结构包括：操作界面显示，系统管理设置和采集得到的数据监测、处理及记录。

图3 上位机软件结构图

3 带式输送机智能控制系统试运行

3.1 控制系统试运行

图4 节能模式时主操控界面

完成带式输送机控制系统的软硬件设计后，经过系统的安装和调试。本次研究后续进行了控制系统的试运行，该智能控制系统可以根据现场实际需求切换节能运行模式和恒速运行模式。当切换到恒速运行模式下，带式输送机的运行速度可以根据实际运输要求进行设定；当切换到节能模式时，带式输送机可以根据实际煤流量进行智能控制，将皮带机能耗降到最低。如图4、图5所示，为带式输送机切换到节能模式时主操控界面以及控制系统运行时的趋势曲线，由图可知带式输送机智能控制系统可以直观的观测输送机运行状况及运行参数。

图5 节能模式时控制系统运行趋势曲线图

3.2 节能效果分析

为了了解设计的带式输送机智能控制系统的节能效果，本次研究还对带式输送机在不同模式下运行相同时间产生的能耗进行记录。一周内控制系统恒速运行时的耗电量统计见表1；一周内控制系统节能运行时的耗电量统计见表2。

表1 控制系统恒速运行时的耗电量

表2 控制系统节能运行时的耗电量

根据表1、表2耗电量数据，可以分布计算带式输送机不同模式下单位输送量的耗电量。计算结果如下：

式中：Whs为带式输送机在恒速模式下运行单位输送量耗电量，Wjn为带式输送机在节能模式下运行单位输送量的耗电量。由计算结果可以看出，带式输送机节能模式相对恒速模式能量损耗显著减少，减少幅度在26%左右，可以达到预期的节能效果。

4 结论

现阶段煤矿使用的长距离、高输送量、高转速带式输送机多数为恒速运行，该运行方式具有能量损耗高、运行效率低、设备磨损严重等特点，本文以此为研究背景，进行矿井带式输送机智能控制系统的设计。分别对控制系统的硬件及软件进行了设计，详细阐述了PLC控制系统及上位机的软件设计。控制系统设计完成后，经过系统的安装和调试，对该系统进行了试运行，并进行了带式输送机在不同控制系统模式下运行产生的能耗记录，记录结果表明带式输送机节能模式相对恒速模式能量损耗显著减少，可以达到预期的节能效果。