带式输送机智能调速控制系统的研究与分析

郑本涛

（山西煤炭进出口集团左权鑫顺煤业有限公司，山西 晋中 032699）

引言

带式输送机具有运输力强、运输距离远且使用与维护成本低等优点，能方便地实现程序化的调控。带式输送机主要用于连续性运输粉状、颗粒状的物料，具有独特的优点，设备可在较高的转速下运行，并且平稳、噪声低。近年来，为了降低煤矿开采能耗，从设备的各个方面去提高输送机的输送效率。一般情况下，提高带式输送机工作效率的主要两种途径包括改良设备的机械性能提高设备的电能消耗及电能转化率。

目前提高带式输送机功效的主要途径有两种，其一是改良输送机的机械结构，提高功率传递效率，其次就是加入智能电控系统，可以有效降低输送机能耗，提高其工作效率。带式输送机在实际使用中并不是满负荷生产，当输送机负载降低时，可以通过智能控制系统调节输送机驱动电机的功率，以降低功率的无效损耗。带式输送机的智能控制系统就是功率与实际载荷的调控系统，让设备处于载荷与驱动功率相互平衡的状态。目前国内在带式输送机智能控制系统的研究与应用方面取得了较大的进步，引入目前更多的新技术，使得带式输送机的智能控制系统得到了较大的发展[1]。

1 带式输送机基本结构

带式输送机相较于其他类型的输送机，结构更加简单、功能可靠、稳定性好，带式输送机的一般结构包括机尾滚筒结构、上料装置、输送带、托辊、皮带张紧装置、变向轮、驱动系统等部件，带式输送机的基本结构原理，如图1 所示。其中皮带是主要的承载部件，物料被置于皮带之上进行运输，驱动系统是为输送机提供动力，皮带张紧装置主要负责调节皮带的松紧度，以保证皮带与滚轮之间有良好的接触，为皮带提供足够的摩擦力[2]。

图1 带式输送机结构

带式输送机工作时，驱动系统带动皮带向前运动，皮带主要受到滚筒的摩擦力与物料的重力影响，皮带可以循环往复运动，源源不断地为物料的运输提供动力。皮带由于具有一定的柔性，若皮带过长容易产生其他的设备故障，因此皮带的张紧装置尤为重要。若皮带出现老化等现象，则皮带与滚筒之间的摩擦力随之改变，从而导致皮带打滑、皮带跑偏等故障。

带式输送机的智能控制系统，不仅可以调节输送机的状态，同时起到了保护输送机的作用，提高设备的使用寿命[3]。

2 带式输送机启动特性

带式输送机的启动方式主要包括直驱启动和变频驱动两种，直驱相对于变频驱动的模式，就是运动冲击较大，驱动电机的转速不易控制，输送机的物料由于加速度和重物惯性的影响容易对设备造成损伤，甚至导致电机瞬时电流过大，从而使电机被烧毁。带式输送机的变频启动则具有更多的优点，如易于调速且不会对设备产生较大的载荷冲击。目前带式输送机驱动电机调速控制是一个重要的研究领域[4]。

为了实现带式输送机的软启动，以最常见的加速度控制曲线为例进行分析，带式输送机的启动加速度曲线与速度等参数的关系式可以表示为如下公式：

式中：v 为皮带线速度；vn为输送机额定转速；T 为设备启动时间。

在带式输送机的启动过程中，为了降低驱动电机突然启动对设备造成较大的冲击载荷，因此在启动阶段应尽量降低带式输送机启动加速度。结合带式输送机的实际使用情况与运动特征，设备启动包括括初始阶段、爬行阶段和主加速阶段三个阶段，设备启动时输送带逐渐拉紧，可以缓解启动张力所造成的冲击[5]。

3 带式输送机功率调控原理

带式输送机功率调控的核心是根据输送带上的重物进行调节，因此首先需要对输送带上的重物进行监测与评估，本套输送机控制系统采用了较为先进的矿用核子皮带秤作为输送机运量的监控装置，相较于传统的接触式皮带秤，该型皮带秤安全性更好、性能更低、抗干扰能力更强。矿用核子皮带秤不受输送带磨损、张力、跑偏、抖动等外界因素的影响，能适应煤矿井下复杂恶劣的环境，为带式输送机运量的准确监控提供了有效保护。如图2 所示为带式输送机运输过程中受力情况简图[6]。

图2 带式输送机受力情况

功率的匹配最重要的是对输送机受力状态及设备所载物品重量的准确计算与分析，首先对带式输送机的运行阻尼进行分析，带式输送机在运行过程中主要受到的载荷包括基本阻力、重物倾斜重力、附加阻力及特殊阻力等。结合带式输送机启动特性和功率调控原理，设计驱动电机启动加速度控制曲线，通过对输送机带速、运量及功率之间关系进行分析，构建了带式输送机节能优化模型，该节能控制模型可为输送机的智能控制提供重要参考。

4 带式输送机控制系统总体设计

带式输送机的智能控制系统由现代工业互联网、上位机、主控制站等模块结合的方式实现，不同分系统实现不同的功能，如图3 所示为带式输送机智能控制系统的结构示意图。控制系统主要由控制分站及PLC 控制组成的最低控制层，由上位机、环网交换机、工业互联网组成的控制系统上层控制系统，该系统具有可扩展性强、易于维护等优点。

图3 智能控制系统结构设计

根据项目的实际应有情况，设计带式输送机的特性，主要包括如下几条设计原则：一是安全性，安全是监控控制系统的基础，系统具有一定的安全性，可保障操作人员的人身安全和财产安全；二是可靠性，即系统的硬件与软件能够适应较恶劣的工作环境；三是可扩展性，要求系统的设计考虑到未来很长一段时间内系统功能的扩展。

5 带式输送机控制系统功能实现

5.1 硬件设计

简要介绍了智能控制系统的主要硬件结构的设计与选型，包括PLC 控制器、微型处理器、CPU、传感器等。

5.1.1 PLC 设计与选型

PLC 具有操作简单、安全可靠等优点，是工业用控制系统的主要控制器，根据带式输送机的应用特点设计选用西门子公司生产的SIMATICS8 系列PLC，该控制器集成度高、工作性能优越、控制精度高且响应速度较快。

5.1.2 微处理器

控制系统的微处理同样选择的是德国西门子的WS-S400 系列的集成处理器，该处理器具有多点的标准I/O 数据接口，满足煤矿苛刻的机械和气候使用条件，可高速高效处理控制系统的信号。

5.1.3 传感器

输送机控制系统的传感器较多，其中振动传感器被安装于皮带驱动滚轮之上，选用了矿用TY670型振动传感器；温度传感器选用的型号为GMK100型传感器，该传感器具有监测精度高、稳定性好等优点，同时具有温度超限报警功能。

5.2 上位机软件设计

带式输送机智能监控系统上位机系统结构是以iFIX 作为开发平台进行上位机监控软件开发，iFIX是目前全球领先的HMI/SCADA 软件之一，可为用户提供较为清晰的可视化编程操作。上位机控制系统主要包括系统管理、人机交互界面、数据分析三个模块。控制系统的主要设计功能包括对设备的实时状态监控，以及用户数据的管理和设备状态控制、参数设置等。控制系统不仅能够监控设备运行状态还可以进行提前预警，如图4 所示为带式输送机监控系统主界面示意图，最后对系统各项功能进行测试，测试结果表明，智能控制系统各型功能均达到设计目标。

图4 输送机监控系统主界面

6 结语

结合带式输送机的实际使用情况，完成对矿用带式输送机的智能化改造工作，在分析了带式输送机结构与功率控制原理的基础上，提出了输送机的智能控制系统总体设计方案，并从控制系统硬件设计与可视化操作界面入手进行了简要介绍。最后现场连接控制系统对系统各项功能进行了测试，测试效果显示，该智能控制系统可以根据带式输送机载荷变化情况进行调节，起到了节能降耗的作用，对于控制系统的研究与应用具有重要参考意义。