皮带运输效率优化方案设计

乔 喆

（晋城市煤炭煤层气工业局，山西晋城 048000）

0 引言

带式运输机在煤矿生产中有着不可或缺的作用。传统井下带式运输机采用液力耦合器进行软启动，但使用效果弊大于利，存在故障率高、维修难度大、无功环流损耗、传动效率低等问题。随着现代变频调速技术、智能控制技术、通信技术的发展，井下皮带运输系统的智能化水平也越来越高，越来越多的高新技术用于皮带运输系统之中，提高了皮带运输机的效率和安全性。本文设计了基于变频调速技术、PLC、智能控制技术的皮带运输系统，结合煤矿运输的特点，对系统的整体方案进行了优化，包括系统硬件电路设计和软件算法设计，提高了皮带运输效率，降低了能源损耗，具有一定的现实意义[1]。

1 皮带运输效率优化概述

1.1 传统皮带运输系统的不足

液力耦合器是传统井下皮带运输机主要采用的机件，但是它的存在增加了空载启动环节，会对系统内部元件造成严重损坏，同时对皮带强度也有高的要求；对于井下运输量工作量大的问题，往往需要多电机进行驱动，而液力耦合器无法解决多电机驱动转矩不平衡问题。传统带式输送机采用恒速运行，经常出现低载高速甚至空载高速运行的现象，智能化程度低，导致工作效率低，浪费大量电能[2-3]。

1.2 皮带运输效率优化

变频调速技术目前已经相当成熟，用在皮带运输系统上具有很多优势。该技术可以更好地实现皮带机软启动，降低皮带强度，实现多电机驱动的转矩平衡问题；同时由于具有调速功能，基于智能控制技术，皮带运输系统可以根据负载的重量情况对电机的速度进行自动调节[4]。本文提出了一种皮带运输系统的优化方案，将变频调速技术应用于皮带运输系统中，联合传感器技术、智能控制技术，可以更好地实现运输系统软启动，根据不同的运量合理安排运输机的带速，同时通过监控系统和上位机软件进行实时监控，通过这种方式可以快速实时定位故障点，提高了皮带运输系统的智能化程度和皮带运输效率。

2 系统优化方案设计

本文设计的皮带运输系统优化方案如图1所示。系统中包括变频器部分、PLC可编程逻辑控制器、电参数采集模块、各种井下传感器、RS485通信电路、上位机部分。其中PLC控制器的主要功能是对煤矿井下的各种实时信息进行采集，采集到的信息通过原先设计好的算法进行运算，将PLC的运算结果作为依据来控制井下设备的启停，同时井下信息会实时传输给上位机，地上工作者可以对皮带运输系统实现实时监控。系统中的传感器部分、电参数采集模块用来负责检测带式运输机的电压电流参数、转速、煤位以及井下烟雾浓度。主从变频器用来根据实际情况或者上位机命令来调节电机转速。

图1 系统优化方案设计框图

3 硬件平台电路设计

3.1 PLC控制器选型

PLC，也称可编程逻辑控制器，是一种新型的工业控制装置，适用于煤矿井下各种恶劣的环境[5]。本文的系统主控制器选择了西门子S7-200系列的PLC控制器。该产品在我国使用范围非常广泛，可靠性稳定，控制作用强大，数据运算处理能力强，具有多个I/O口，通信扩展能力强。PLC控制器的硬件系统需要CPU模块、通信模块、数字输入量扩展模块等支持。对于CPU模块，本系统采用了CPU-224XP，该模块中包含3个模拟量输入输出点，24个数字量输入输出点。对于通信模块，系统采用了CP243-1，该通信模块具有很强的网络扩展能力，支持PLC多种网络通信。对于数字量输入扩展模块，系统选用了西门子公司的EM221系列。

3.2 变频控制电路设计

变频器可以控制皮带运输机的电机进行智能调速，更好地实现电机软启动和停止，减弱对电网的冲击，提高皮带寿命。而且变频器通过与PLC通讯，煤矿井下采集数据经PLC分析处理可以控制皮带运输机电机的频率和电压，继而调节电机的转速，使其匀速、高速、低速运行，实现智能调速和智能化运输。

本系统的变频器采用了AC-DC-AC交换模式，其中变频器主电路是由整流电路、中间直流电路和逆变电路3个部分组成的。变频器结构如图2所示。

图2 变频器结构简图

对于变频器变频调速技术，变频方式有很多，本文的AC-DC-AC型变频器采用的调压调频方式为二极管整流和PWM逆变器调压调频方式。PWM逆变器可以输出按正弦规律变化的电压脉宽，通过这种方式，电机电流的波形会接近于正弦波，不但可以减弱电流谐波影响，提高功率因数，更能减小电网波形畸变。

变频器的引入对于皮带运输系统效率提升是一个质的飞跃，PLC通过数据分析处理发出控制信号控制变频器，工频、交流输入信号在变频器的作用下转换为频率电压可调的AC输出信号，近而对皮带输送机实现智能调速。

3.3 电机转速检测电路

本文皮带传输系统引入了变频调速技术，因此系统电机的转速检测与调节尤为关键。目前电机转速检测采用测速仪，性价比低，不利于大范围使用。在煤矿下电机转速需要实时检测，并且精确测量，因此采用霍尔传感器检测到的脉冲信号经过转换得到电机实时转速。在PLC定时器中将电机实测转速n转化为技术算法，把结果显示在上位机监控软件和LCD显示屏上，联合智能控制技术，实时调节电动机达到最佳转速，提高工作效率。图3所示为硬件电路图，工作原理是：将一块永久磁铁附于电机轴表面，磁铁附近固定一个霍尔传感器，背对磁铁。皮带运输机工作，电机转轴开始转动时，磁铁从霍尔传感器背面经过，脉冲信号通过放大整形电路转换。电路图中电阻为上拉电阻，转轴转动磁铁通过时，电阻前面的引脚从0 V变为1 V，后端的三极管输出脉冲波形，波形的频率经过公式换算即为转速大小。

图3 电机转速检测电路

3.4 RS485通讯电路设计

在当下的煤矿井下，电参数采集模块以及各种传感器与PLC的通信方式采用RS485通信电路，一般都具有RS485信息接口。利用RS485通信电路，可将电参数采集模块采集到的各种参数如电压、电流、功率、功率因数等以及转速、温度、烟雾浓度等信息上传到PLC控制器上进行分析处理。矿井下通信接口需要满足电路本质安全，为此选用MAX1480B隔离芯片，此芯片可以有效保护采集信息单元内部电路破坏，隔离瞬时高压。RS485通讯采用双路差分传输模式，但由于差分信号M、N之间产生的反射信号会对采集数据带来干扰，如图4所示，本文在隔离芯片后端外接120 Ω匹配电阻，同时在接地端连接1 kΩ下拉电阻，在电源端连接1 kΩ上拉电阻，这样可以更可靠地传输数据。

图4 RS485总线电路及隔离接口

4 软件流程设计

图5 软件主程序流程图

本文所设计的优化方案采用的控制器为PLC，为减少软件系统开发工作的时间周期，采用组态软件进行开发工作。PLC控制系统程序设计主要包括主程序设计、软起动控制程序设计、通信程序设计、调速子程序设计、中断程序设计、故障程序设计等。在调速子程序中，本文采用了模糊控制智能技术，通过PLC设计相关算法，可以根据皮带上面煤量的负重来智能调节电动机的转速，提高皮带运输系统的寿命。总程序流程如图5所示。

5 结束语

本文在分析传统煤矿井下皮带运输机电气系统不足的基础上，针对皮带运输机效率低下问题，设计了一种基于可编程逻辑控制器、变频调速技术、传感技术和有线通信技术的井下皮带运输机效率优化方案，介绍了优化方案的系统整体设计及各部分关系。在系统的硬件平台电路设计中，以PLC为主控制器，详细介绍了变频器的结构图，电机转速检测电路设计，RS485通讯电路设计。实际运行情况证明该方案达到预期目标，效率提高，具有一定推广意义。