矿用带式输送机自动控制系统设计及其应用研究

陈 斐，赵亚玲

(陕西能源职业技术学院 继续教育学院，陕西 咸阳 712000)

带式输送机具有结构简单、能够实现连续运输等众多优势，在散装物料运输中具有非常广泛的应用[1]。在煤矿开采与运输过程中，带式输送机是比较重要的运输装备，其运行过程的可靠性对煤矿开采效率有重要的影响[2]。对于普通的带式输送机，为了提升设备运行过程的稳定性，通常都设计有一定的安全裕量，即电机功率相对较大[3]。导致电机长时间处于高功率运行状态，存在“大马拉小车”的现象。带式输送机长时间处于这种运行状态，不仅浪费了大量的电力能源，还加剧了设备零部件的损耗，增加了设备的维护与保养成本[4]。针对该问题，目前很多技术人员和学者开展了相关的研究，基于变频调速技术对带式输送机的运行过程进行控制，在实践中取得了一定的应用效果，显著提升了矿用带式输送机的自动化水平[5]。本文主要以某煤矿中使用的带式输送机为对象，充分结合实际情况设计研究了设备的自动控制系统。实践应用表明，该系统取得了很好的效果，为煤矿企业创造了良好的经济效益，值得其他煤矿企业借鉴。

1 带式输送机结构概述

某煤矿企业每年生产的煤矿物料达到了200万t，带式输送机是该煤矿中重要的运输机械装备。由于每年输送的煤炭量较多，对煤炭运输过程提出了相对较高的要求。本文主要以其中比较典型的DTL120/200/3×630型带式输送机中为对象进行介绍，带式输送机的整体结构如图1所示。由图1可知，带式输送机主要由驱动滚筒、改向滚筒、张紧装置、上托辊、下托辊、胶带等部分构成[6]。由电动机提供动力来源，电机输出的动力经传动系统传输到传动滚筒中，传动滚筒通过摩擦力驱动胶带发生运动；换向滚筒的作用是改变胶带的运动方向，实现循环往复运动；张紧装置的作用是确保胶带与驱动滚筒、换向滚筒之间紧密接触，确保有足够的摩擦力。

图1 带式输送机的结构示意Fig.1 Schematic diagram of belt conveyor

带式输送机的驱动滚筒和换向滚筒分别安装在机头部位和机尾部位。由图1可知，机头部位设置了2个驱动滚筒，其中1根滚筒两侧分别安装1台防爆异步电动机，另外一根滚筒的两侧分别安装1台防爆异步电动机和1台制动器。3台YBPS450-4型异步电动机功率为630 kW。制动器属于盘式制动器，型号为SHI202/D2000，紧急情况下可以通过制动器对设备进行制动处理，具有很好的效果。

目前，该型号带式输送机运行时存在的主要问题：①启动过程属于“硬启动”，对设备造成了一定程度的冲击；②设备无法根据实际运输的煤矿物料对运行速度进行调整，存在能源浪费的现象。

2 整体方案设计

自动控制系统的整体方案结构如图2所示。从图2中可以看出，整个控制系统主要由变频器、配电柜、专业检测传感器、PLC控制器、交换机、上位机以及工业以太网等部分构成。针对带式输送机中的三部异步电动机，每台电机均配备了对应的变频器(型号为6ES71)。利用专业的传感器对电动机的耗电量、带式输送机胶带的运行速度以及输送的煤流量大小进行实时监测，将获得的结果传输到PLC控制器中。控制器对各状态参量进行分析与对比，如果发现互相不协调、不匹配，则会下达控制指令，调节变频器的电压输出频率，进而调整异步电动机的输出转速，实现煤流量和运行速度之间的匹配。

图2 整体方案结构Fig.2 Structure of overall scheme

利用自动控制系统，可以实现带式输送机的软启动，系统中内置的是S形曲线启动模式，这样可以降低启动过程中对设备造成的冲击[7]。其中，电机运行时的功率和电流可以基于功率采集模块进行收集、输送的煤流量可以基于电子胶带秤进行检测，胶带运行速度可以利用速度传感器进行检测。

由图2可知，带式输送机的主要供电线路为三台配电柜，每台配电柜对应1个变频器，配电柜中输出的电压和频率分别为660 V和50 Hz。对于整个自动控制系统而言，PLC控制器是最为核心和关键的部分，上位机与控制器之间基于工业以太网实现数据信息的传输，同时控制器还要与变频器基于Profibus通信协议实现数据的交互。自动控制系统正常工作时，上位机可以向PLC控制器下达控制指令，PLC控制器将指令传输到变频器中，改变输出电压的频率，进而实现电动机输出转速的控制。基于传感器获得的数据信息会实时输送到PLC控制器，再输送到上位机系统中，并通过显示屏进行显示，工作人员可以实时掌握带式输送机的运行状态信息。所有传输到上位机中的数据都会存储到数据库中，以便后续调取查阅。

3 硬件部分设计

带式输送机自动控制系统是一项非常复杂的项目，涉及到多方面的内容，使用了不同形式的硬件设施。自动控制系统中最重要的硬件设施构成情况如图3所示。以下主要对这些硬件设施进行介绍。

图3 主要硬件部分构成Fig.3 Main hardware components

3.1 PLC控制器

PLC控制器是整个自动控制系统的核心和关键，其性能好坏会对整个系统运行的可靠性与稳定性产生非常重要的影响[8]。在充分分析目前市场上已有的PLC控制器类型及性能的基础上，最终结合实际情况选用S7-1200型PLC控制器。控制器的CPU模块型号为1214C DC/DC/DC，该模块的数字量输入接口、数字量输出接口和模拟量输入接口的数量分别为14、10和2，完全能够满足该系统的实际使用需要。数字量与模拟量之间的转换模块型号为SM1221 DI8×24V DC，控制器中使用了2种类型的通信模块，型号分别为CM1243-5和CM1241，其中前者主要是基于Profibus通信协议实现控制器与变频器之间的通信，而后者不仅支持Profibus通信协议，同时也支持RS422和RS485通信协议，利用该模块可以实现控制器与各种传感器之间的数据通信。电源模块的型号为PM1207，此模块可以将外部电源转换成为24 V DC电源，为PLC控制器的各个模块进行供电，实现PLC控制器的稳定运行。

3.2 变频器

自动控制系统中为3台电动机分别配备了变频器，为了确保PLC控制器与变频器之间的兼容性，选用的变频器型号为6ES71。该变频器的额定功率、额定电流和额定输入电压分别为800 kW、860 A和660～690 V，允许的最大瞬时电流可以达到1 170 A。当前阶段，变频器普遍采用的是直—交—直变频模式，整个变频过程共包含3大部分内容，分别为整流、中间直流和逆变环节[9]。此变频模式又可以进一步分为3种变频控制方法：①基于逆变器对频率进行调整，基于可控整流器对电压进行调整；②在第1种控制方法的基础上增加二极管进行整流处理；③基于PWM逆变器同时对频率和电压进行调整，同时配合使用二极管进行整流处理。已有的实践经验表明，最后一种控制方法具有更加显著的优势，能在一定程度上提升功率因素，规避电力能源的浪费问题，在实践应用中也更加广泛。PWM变频器的主电路框图如图4所示。从图4中可以看出，主电路同样主要由3个环节构成，即整流环节、中间直流环节和逆变环节。

图4 PWM变频器的主电路Fig.4 Main circuit of PWM inverter

3.3 主要检测传感器

(1)电子胶带秤。电子胶带秤的作用是对胶带上输送的煤矿物料流量进行检测，目前电子胶带秤的类型有多种，这里选用ICS-ST型装置，该装置检测得到的煤矿物料流量误差可以控制在0.25%～1.00%，精度较高。整个装置主要由4大部分构成，分别为支架、速度传感器、重量传感器和数据采集模块。由传感器采集到的数据信息利用采集模块进行收集并分析，重量与速度的比值即为煤矿流量。考虑到煤矿工作环境的复杂性，所有使用的元器件全部为本质安全型。基于RS485通信模式实现与PLC控制器之间的数据交互。ICS-ST型电子胶带秤的允许运行速度和称重范围分别为0.1～5.0 m/s和10～10 000 t/h，可以满足实际使用要求。

(2)速度传感器。速度传感器的作用是对胶带的运行速度进行实时采集[10]。其检测原理是在驱动滚筒的轮轴上，以轴心为圆心均匀地布置永久磁铁片，然后将GSH5型速度传感器固定在驱动滚筒附近的支架上。驱动滚筒带动永久磁铁片做旋转运动，传感器固定不动，磁铁片每经过传感器附近时就会产生一个脉冲信号，基于霍尔原理可以计算得到驱动滚筒的旋转速度，进一步可以求得驱动滚筒表面的线速度，即胶带的运行速度。

(3)功率采集模块。此模块的作用是对3台电动机运行过程中产生的电力信息进行采集，包括功率、电流和电压等数据。采集得到的数据信息基于RS232或者RS485通信模式传入到PLC控制器中。结合实际情况选用的功率采集模块型号为EDA9033A。

4 软件部分设计

在带式输送机自动控制系统中，硬件是实现系统功能的基础，但是硬件都是单独的个体，需要通过软件将不同的硬件串联起来，这样才能够实现自动控制系统的各项功能。

4.1 PLC控制器的软件程序

(1)启动时的软件程序。PLC控制器的软件程序在TIA Portal软件中实现。带式输送机启动阶段工作流程如图5所示。为了避免设备启动阶段速度突变对零部件造成的损伤，该自动控制系统中内置了S形曲线启动模式。设备在启动阶段会按照内置的程序进行启动，可有效规避启动时造成的冲击，降低设备运行的故障率。

图5 带式输送机启动阶段工作流程Fig.5 Work flow chart of belt conveyor in start-up phase

(2)稳定运行时速度调控程序。实际煤矿开采过程中，开采得到的煤矿物料质量并不是固定不变的，而是随时间发生变化。设计的自动控制系统对速度的调整如果过于灵敏，会导致带式输送机时刻处于速度调整状态，不利于设备的稳定运行。基于此，按照输送的煤流量大小将其划分成为不同的区间，每个煤流量区间对应一个胶带运行速度。

带式输送机稳定运行时速度控制的工作流程如图6所示。自动控制系统开始运行以后，会对胶带输送的煤流量大小进行实时检测，并将检测结果传入到PLC控制器中进行分析，判断所处的煤流量区间。然后根据所处区间大小给出对应的胶带运行速度，并下发控制指令驱动变频器输出对应的电压频率，对电动机的输出转速进行控制。如果检测得到的煤流量大小超过了系统设定的安全阈值，系统会向外发出警报，同时自动控制带式输送机停机，避免过大的煤流量对设备造成不可挽回的损害，甚至可能引发的安全生产事故。

图6 带式输送机速度控制工作流程Fig.6 Work flow chart of belt conveyor speed control

4.2 上位机的软件程序

上位机不仅可以对带式输送机的运行状态进行监控，也可以从上位机中下达控制指令，对设备进行远程控制。上位机的软件程序在WinCC 7.3组态软件中完成。上位机的软件部分主要包含3大部分内容，分别为系统管理、数据管理和监控界面。

系统管理的内容主要是整个系统进行设置，并且对用户进行管理，包含管理人员账户和值班管理账户。为了确保系统的安全，不同层级的用户具有对应的安全等级，能查看的内容也存在一定差异。数据管理的作用是对带式输送机运行过程中的设备状态数据信息以及操作记录数据进行存储，所有数据归类后存储到数据库中。基于数据管理程序还可以对以往的数据进行查询。监控界面的作用是将采集得到的信息在显示屏中实时显示，并且是将数据进行简要处理后以可视化的形式呈现，方便工作人员快速掌握设备的运行状态。

5 应用效果评价

根据以上设计的技术方案，将其部署到某煤矿中的DTL120/200/3×630型带式输送机中。对系统的各项功能进行了实践测试，发现整体运行良好，整个测试期间没有出现明显的故障问题。在启动阶段，带式输送机能够根据系统设定的S形曲线方式启动，有效规避了启动阶段速度突变对设备零部件造成的冲击。在稳定运行阶段，自动控制系统可以根据实际输送的煤流量大小，对电机运行速度进行调整控制。对自动控制系统运行前后连续7天的运行数据进行了统计分析，结果如图7和图8所示，其中前者记录的是自动控制系统运行前的数据，后者记录的是系统运行后的数据。

图7 带式输送机恒速运行时产生的数据Fig.7 Data generated when the belt conveyor is running at a constant speed

从图7和图8中可以看出，带式输送机在未使用自动控制系统前，连续7 d内设备的耗电量依次为2.48、2.54、2.52、2.54、2.57、2.60、2.62 kWh/t，平均值为2.55 kWh/t。在使用了自动控制系统后，连续7 d内设备的吨煤耗电量依次为2.02、1.99、2.01、2.03、1.96、2.05、2.01 kWh/t，平均值为2.01 kWh/t。对比以上数据可以发现，通过使用自动控制系统，设备的吨煤耗电量有了一定程度的降低，降低幅度为21.28%，为煤矿企业节省了大量的电费；另一方面，通过使用自动控制系统，带式输送机的运行稳定性有了一定程度的提升，降低了设备的维护和保养成本，同样创造了良好的经济效益。

图8 自动控制运行时产生的数据Fig.8 Data generated when belt conveyor automatically controls the operation

6 结论

本文主要以DTL120/200/3×630型带式输送机为对象，对其自动控制系统进行深入的分析和研究，所得结论主要如下。

(1)自动控制系统为带式输送机中的3台电机分别配备了变频器，利用专业的传感器对胶带输送的煤流量及其运行速度进行实时检测。基于检测结果对电机的输出转速进行控制，确保设备实际运行速度与煤流量相匹配。另外，基于控制系统还可以实现设备的软启动。

(2)系统中使用的PLC控制器和变频器型号分别为S7-1200和6ES71，具有很好的兼容性，简要介绍了系统中使用的专业传感器。对PLC控制器和上位机中的软件程序进行了详细设计。

(3)将设计的自动控制系统应用到带式输送机工程实践中，经测试发现整体运行良好，未出现明显的故障问题。通过对自动控制系统运行前后的数据进行对比发现，可以节省能源21.28%左右，创造了良好的经济效益。