煤矿带式输送机智能调速控制系统设计与应用研究

武栋栋

（华阳一矿机电工区信息中心， 山西 阳泉 045000）

引言

带式输送机作为煤矿井下物料运输的主要装置，具有结构简单可靠、运行稳定、自动化程度好等优点，在煤炭行业广泛应用[1-3]。随着煤炭行业生产结构转型升级速度的提高，对带式输送机的自动化、智能化水平要求越来越高，与此同时，煤炭行业对带式输送机的节能降耗、绿色生产等也提出了更高的要求[4-6]。因此，针对某煤炭企业服役带式输送机功耗较大、控制结构单一的情况，开展智能调速控制系统设计与应用研究具有重要意义。

1 带式输送机结构组成

矿用带式输送机结构组成包括机架、驱动机构、托辊、输送带、制动器、清扫器、控制系统等。驱动机构工作时为输送带旋转提供动力，要求具有很好的环境适应性，能够在输送机开启、停止及突然断电故障时可以正常运转。托辊的作用是降低煤料波动引起的输送带抖动，输送带与托辊摩擦使托辊与输送带同步运转，完成煤炭的输送；托辊运行灵敏与否直接关系着煤炭输送的运行阻力。制动器主要用于驱动滚筒的降速与停止，较大输送角度的输送带，制动器需要与逆止器配合使用，避免煤炭滑落。清扫器作用是清扫输送带残存的煤渣，避免过多的煤渣堆积而出现事故。带式输送机在控制系统的指挥下完成煤炭输送，直接关系着煤炭运输的能耗与效率。

2 控制系统结构设计

带式输送机智能控制系统结构如图1 所示，涉及上位机、可编程逻辑控制器、变频器、各类数据采集器等。工作过程中，可编程逻辑控制器PLC 与上位机之间的通信由以太网完成，井下的集控PLC 与变频器之间的通信采用了PROFIBUS 通信协议，驱动电机的运行控制由变频器直接控制。控制指令的传输关系为上位机发出控制指令至PLC，之后控制变频器，实现驱动电机的运行控制。与此同时，PLC 收集传感器等元件的实时监测数据，逻辑处理之后传输至上位机进行实时显示，使监控人员能够实时掌握井下带式输送机的运行状态。

图1 智能控制系统结构组成

3 系统主要硬件设计

3.1 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（PLC）首次出现于美国，当时控制系统还被各种继电器元件统治着，但是由于PLC具有较多的优势，如可编程性、工作可靠、较强的实用性和通信能力等，逐渐被市场认可。智能控制系统PLC 选择西门子生产的S7-400 型PLC，节能控制关系如下页图2 所示。S7-400 型PLC 具有多种通信接口，能够实现通信处理器、 井下以太网、PROFIBUS-DP 主站接口等进行连接，具有较快的通信速率，高达12 Mbit/s。PLC 内部配置的CPU，具有多个MPI，能够实现与简单控制系统的连接。

图2 PLC 节能控制关系图

3.2 井下控制分站

智能控制系统的井下控制分站包括操作台、PLC控制器、安全保护系统等，对输送机发出直接控制指令，采集输送机的实时运行数据。井下控制分站硬件涉及可编程逻辑控制器、变频器、传感器等，关键部件为PLC，运行时需要其完成采集数据的运算，发出实时控制指令，其具体的硬件结构如图3 所示。图3 中的速度、堆煤、温度等数据采集元件获取的实时数据经PLC 处理之后传输至上位机进行实时显示，同时，监控人员也可以根据实时数据通过上位机发出控制指令至PLC，之后传输至变频器控制驱动电机，实现远程控制。

图3 井下控制分站

3.3 变频器

智能控制系统中的变频器控制由PLC 系统完成，通用控制方式涉及U/f 恒定控制、转差频率控制、矢量控制，此处选择U/f 恒定控制模式，属于恒磁通调速。U/f 恒定控制模式下，驱动电机的电压随着电源频率的变化而变化，实现驱动电机的速度控制。服役中的带式输送机包括3 台驱动电机，基于此设计变频器，选择通讯方式为PROFIBUS DP 总线控制。具体控制电路如图4 所示。

图4 变频器控制电路

3.4 传感器元件

智能控制系统中涉及的传感器及选择型号如下：速度传感器选择型号为GSC10 矿用安全传感器，检测输送带旋转速度；温度传感器选择型号为GWD100矿用本质安全型温度传感器，检测输送带温度；烟雾传感器选择气敏探头，检测输送带是否起火；张力传感器和跑偏传感器选择了普通拉力传感器，检测范围为0～10 kN，完成传感器元件的设计和选型之后，系统才具备实时采集带式输送机运行状态的保障。

4 系统软件设计

智能控制系统设计包括硬件和软件两部分，软件设计的目的是将选好的硬件关联起来，此智能控制系统软件设计涉及下位机PLC 控制程序和上位机软件设计。

4.1 下位机PLC 控制系统

4.1.1 主控制程序

智能控制系统下位机PLC 控制系统运行的主程序工作流程如图5 所示，由图5 可以看出，主程序运行依赖于PLC 软件系统，首先进行数据的初始化、之后开启自诊断保护、采集带式输送机状态数据，经PLC 分析没有问题时启动带式输送机，输送机运行时开启输送机速度控制功能及故障保护功能，当检测得到的数据出现异常时，PLC 分析带式输送机是否出现故障，如果出现故障停机待处理，否则，带式输送机正常运行。

图5 智能控制系统主程序流程

4.1.2 速度控制程序

系统速度控制的触发信号来源于带式输送机输送的煤流量，输送机运行时，煤流量在不超限的区间不断波动，为了避免带式输送机连续不断的进行速度调控，系统将煤流量划分为若干区间，为每个煤流量区间设置一个固定的速度。故而，通过速度控制程序采集煤流量实时数据，分析煤流量的区间，确定带式输送机的运行速度，实现带式输送机运行速度的控制。

4.2 上位机

上位机设计的目的是实时显示带式输送机运行状态参数，供监控人员掌握带式输送机的运行数据，同时，监控人员可以根据输送机实时数据的变化，给带式输送机发出控制指令，实现远程控制功能。智能控制系统上位机主界面如图6 所示。由图6 可以看出，主界面显示了电机、减速机、滚筒等运行参数表，同时，显示了井下带式输送机的结构件图，显示了驱动电机的电压、电流等数据；与此同时，实时显示了各个传感器件采集得到的参数值，包括温度、烟雾、跑偏、撕裂等，其显示绿色时表示正常运行，显示红色时表示出现了数据异常或者故障，显示灰色时表示数据未进行采集。

图6 上位机主界面

5 应用效果评价

针对某煤炭企业服役中的带式输送机能耗高、控制简单的情况，完成了智能调速控制系统设计。为了验证煤矿带式输送机智能调速控制系统设计的可行性，将其应用于企业服役的带式输送机中进行试运行，跟踪记录系统的运行情况。结果表明，系统运行稳定可靠，实现了实时监测和远程控制的功能。统计结果显示，应用智能调速控制系统的带式输送机，相较于原控制系统时，故障停机时间降低了近13%，运行维护人员节省2～3 名，耗电量减低近10%，生产效率得到了明显提升，预计为企业新增经济效益近80万元/年，取得了很好的应用效果。