矿用带式输送机自控系统设计及应用

梁国华

（华阳集团 一矿，山西 阳泉 045000）

0 引 言

带式输送机是一种能够进行连续运输作业的设备。通常情况下，为保障带式输送机在井下平稳运行，设计时电机容量相对较大，存在“大马拉小车”现象，即带式输送机一直恒速运行，造成电能浪费，设备维护保养费用偏高。针对这一情况，以华阳一矿DTL120型带式输送机作为研究对象，对带式输送机进行变频技术改造，结合实际运行情况设计自动控制系统。

1 带式输送机结构

华阳一矿年产煤量达850万t，带式输送机是该矿主要的运输设施。因为年产能较大，因此对煤炭运输要求较高。该矿DTL120/200/3×630型带式输送机结构如图1所示。

图1 带式输送机结构Fig.1 Belt conveyor structure

该型号带式输送机驱动滚筒布置在机头位置，换向滚筒布置在机尾位置。机头布置2各驱动滚筒，其中一个滚筒两端各装1台防爆电机（型号YBPS450-4)，另一个滚筒一端安装防爆带电机（YBPS450-4)、另一端安装制动器(SHI202/D2000)。带式输送机运行过程中遇到突发情况时，可通过制动器进行紧急制动，避免故障扩大化。

DTL120型带式输送机在华阳一矿实际运行中存在以下不足：启动过程为“硬启动”，冲击较大；恒速运行，不能根据运输量进行调整，能耗高。

驱动滚筒换向滚筒

2 方案设计

针对该型号带式输送机存在的问题，进行控制系统改进设计，方案设计如图2所示。控制系统主要由变频器、配电柜、传感器、PLC、交换机、上位机等组成。为实现带式输送机软启动，该系统内置S形曲线启动模式，降低设备启动产生的冲击。

图2 方案设计框架Fig.2 Scheme design framework

带式输送机电力线路主要为3个配电柜，分别对应1个变频器（型号6ES71)。电机功率、电流通过功率采集模块进行数据采集；运输量通过电子胶带秤进行检测；输送带运行速度由速度传感器进行检测。PLC控制器将监测数据与预设值进行对比，若不协调，则下达控制指令，调整变频器输出频率，实现电机转速调整，使输送量和运行速度相匹配。各传感器采集的数据也会同步显示在显示屏上，操作者可实时了解带式输送机的运行状态。

3 硬件设计

华阳一矿DTL120型带式输送机自控系统主要硬件构成如图3所示。

图3 硬件构成Fig.3 Hardware configuration

3.1 PLC控制器

PLC控制器的性能决定了自控系统的可靠性、稳定性。综合分析现有PLC种类和性能，结合华阳一矿实际情况，选择S7-1200型PLC控制器，其CPU模块为1214C DC/DC/DC，该模块的数字量输入接口14个、输出接口10个；模拟量输入接口数量2个，可很好的满足系统需求。数字量和模拟量的转换模块型号为SM1221 DI8×24V DC，通信模块选用CM1243-5及CM1241，CM1243-5用于控制器与变频器间的通讯，CM1241用于控制器与各类传感器间的通讯。选用PM1207型直流电源模块，为PLC各模块进行供电，确保稳定运行。

3.2 变频器

设计的自控系统方案中，带式输送机3台电机各配有1个变频器，为保证控制器与变频器相互兼容，选用6ES71型变频器，额定功率800 kW，额定电流860 A，输入电压660～690 V，允许最大瞬时电流1 170 A。

通过对比分析，此次设计利用PWM逆变器同时调整频率和电压，并增加二极管进行整流处理。PWN逆变效果显著，可有效提高功率因数，并避免电能浪费，应用广泛，其主电路如图4所示。

图4 PWN变频器主电路Fig.4 Main circuit of PWN inverter

3.3 主要检测传感器

（1）电子胶带秤。主要对运输物料情况进行检测。电子胶带秤种类较多，根据华阳一矿实际情况，为提高自控系统的可靠性，选择精度较高的ICS-ST型电子胶带秤，误差范围0.25%～1.00%，许可运行速度范围0.1～5.0 m/s，称重范围10～1 000 t/h，能够满足华阳一矿生产需要。该装置由支架、速度传感器、重量传感器、数据采集模块组成，单位时间内重量与速度的比值即为煤炭流量。为确保煤矿井下安全，所有元器件均为本质安全型。

（2）速度传感器。速度传感器主要作用是采集输送带的实时运行速度。其原理是在驱动滚筒轴心固定永久磁铁片，将传感器（GSH5型）布置在滚筒附近支架上。皮带运行时，磁铁片做圆周运动，传感器静止，当磁铁片经过传感器时会产生一个脉冲信号，利用霍尔原理即可得出滚筒旋转速度，从而得到输送带运行速度。

（3）功率采集模块。功率采集模块型号为EDA9033A，用于采集3台电机运行中的电力信息，含功率、电流、电压等数据。

4 软件设计

4.1 PLC软件程序

（1）启动程序。带式输送机启动流程如图5所示。为防止带式输送机启动过快对零部件造成损害，采用S形曲线启动模式，减少启动冲击。

图5 带式输送机启动流程Fig.5 Starting process of belt conveyor

（2）平稳运行时速度调整程序。煤炭开采时产量具有波动性，自控系统不能过于灵敏，否则受煤炭产量的波动影响，PLC控制器频繁对带速调整，带式输送机无法平稳运行。所以应结合煤矿实际生产情况，进行煤炭流量区间划分，一个区间对应一个速度值，如图6所示。

图6 带式输送机速度控制流程Fig.6 Speed control process of belt conveyor

4.2 上位机程序

上位机对带式输送机状态进行实时监控，还可以进行指令下达，远程控制带式输送机的运行情况。上位机程序在WinCC 7.3组态软件中完成，主要包括系统管理、数据管理和监控界面。

系统管理包括系统设置、用户管理等方面，为保障系统安全，不同用户具有相对应的安全等级，查看权限、范围也有所不同。数据管理主要对带式输送机运行数据、操作数据等进行归类并存储，并基于此实现对历史数据的查询。监控界面是将运行数据进行直观显示，帮助操作者随时掌握带式输送机运行状况。

5 效果评价

按照上述方案，将控制系统应用到华阳一矿DTL120/200/3×630型带式输送机中。对系统进行现场调试，投用后整体运行良好，无明显故障。带式输送机启动阶段，按照系统内置S形曲线方式启动，设备平稳启动，冲击较小。带式输送机平稳运行阶段，控制系统根据电子胶带秤反馈的数据进行变频器输出频率控制，实现输送带速度调整。自控系统投用前后7 d数据分析结果如图7、图8所示。

图7 自控系统投用前带式输送机恒速运行数据统计Fig.7 Data statistics of constant speed operation of belt conveyor before the use of automatic control system

图8 自控系统投用后带式输送机变频运行数据统计Fig.8 Frequency conversion operation data statistics of belt conveyor after the use of automatic control system

自控系统投用前带式输送机恒速运行时，连续7 d吨煤耗电量分别为2.48、2.54、2.52、2.54、2.57、2.60、2.62 kW·h，平均吨煤耗电量2.55 kW·h；自控系统投用后，连续7 d吨煤耗电量分别为2.02、1.99、2.01、2.03、1.96、2.05、2.01 kW·h，平均吨煤耗电量2.01 kW·h。由此可见，采用自控系统后，吨煤耗电量有所下降，降幅21.28%，为企业生产降低电费投入。此外，采用自控系统后，可实时监测设备运行情况，及时发现故障，有利于降低设备维护保养成本。

6 结 语

华阳一矿自控系统投用后，带式输送机启动平稳，冲击力下降；运行过程中可根据煤炭流量进行输送带速度调整，吨煤耗电量下降21.28%，节能降耗；实时监测可及时发现设备问题，降低了维护保养成本，具有良好的经济效益。