PLC控制器在煤矿带式输送机中的应用研究

党小炜

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

带式输送机以及显著的优势在煤矿领域有广泛的应用，煤矿工作面中利用采煤机开采获得的煤块，需要利用带式输送机进行输送，具有很高的运输效率[1]。一般而言，煤矿开采时带式输送机需要长时间连续运行，是矿井中比较典型的耗能装备[2]。近年我国向世界承诺，在未来几十年内要达到碳达峰和碳中和。在这样的背景下，节能减排政策的压力越来越大。带式输送机作为矿井中耗能较大的装备，采取有效措施降低运行中的能耗是煤矿企业急需解决的问题[3]。节能降耗不仅是响应国家号召的重要表现形式，也是降低企业运行成本的重要手段[4]。本文基于先进的PLC控制器设计了矿用带式输送机控制系统，能够根据煤炭实际输送量对速度进行调整，从而达到节能降耗的效果。

1 带式输送机及问题概述

1.1 带式输送机

带式输送机是煤矿中比较重要的辅助运输装备，本文以煤矿中使用的DTL120/150/2×200型带式输送机为对象进行研究，带式输送机的结构如图1所示。由图1可知，带式输送机主要由拉紧装置、驱动装置、清扫装置、托辊以及输送带等部分构成[5]。其中输送带的作用是对煤块物料进行支撑，实现物料的运输，驱动装置的作用是在电机的驱动下带动胶带做循环往复运动，拉紧装置的作用是确保胶带与驱动滚筒之间有足够的摩擦力，实现动力传输，托辊的作用是对胶带进行支撑，清扫装置的作用是对洒落的煤块物料进行清扫，避免对输送机的运行过程造成不良影响。

图1 带式输送机整体结构示意Fig.1 Overall structure diagram of belt conveyor

1.2 存在的问题分析

煤矿工作面利用采煤机开采获得的煤块物料需要及时通过带式输送机输送到指定位置，所以煤矿开采时带式输送机需要长时间连续运行。但是传统的带式输送机没有配备变频器，导致设备需要长时间连续高速运转[6]。煤矿开采过程是不连续的，实际开采得到的煤炭量随时间不断变化。如果带式输送机长时间以最高速度运行，会造成电力能源浪费，不满足我国节能减排的基本政策。煤矿工作面的环境较为复杂，带式输送机工作时如果遇到特殊情况，需要对设备进行停机检查无误后再启动，此时属于重载启动，启动过程会对设备和供电网络造成很大的冲击[7]。研究对象同时由两部电机驱动，如何确保两部电机之间的功率平衡是需要解决的问题。另外，根据我国的用电政策，在夜间低谷期用电时的电价较为便宜，在白天高峰期用电时的电价相对较高，如果控制系统不加以区别对待，会在一定程度上增加煤矿企业的电费支出。

2 节能系统方案设计

2.1 整体方案设计

考虑到带式输送机是煤矿中比较重要的耗能装备，为了在最大限度上降低设备的能耗大小，在充分结合实际情况的基础上，利用PLC控制器设计了带式输送机的节能系统，系统的整体原理框图如图2所示。系统工作时，首先需要利用各类传感器对输送机的运行速度、煤矿物料供给速度以及煤仓中的煤量进行实时检测，所有检测数据实时传输到PLC控制器中进行分析处理。控制器根据检测结果以及内置的优化算法程序，判断带式输送机与煤矿供给速度的匹配程度，同时考虑煤仓中的料位高低、用电时间段等因素，在保证不影响煤矿开采和运输的前提下，给出最小的带式输送机运行速度，确保设备的能耗和电价保持在较低的水平，为煤矿企业创造更大的经济效益。

图2 带式输送机控制系统框图Fig.2 Block diagram of belt conveyor control system

2.2 主要硬件设计

设计的控制系统以PLC控制器作为核心，为了提升系统运行的可靠性，要求设计的PLC控制系统与其他组件保持互相独立。设计时要求各个硬件设施具有安全防爆功能，以适应矿井复杂的工况环境。基于PLC的控制系统主要硬件结构框架如图3所示，以下对系统中用到的主要硬件设施进行介绍。

(1)PLC控制器。在对比不同类型PLC控制器性能和成本的基础上，选用S7-1200型PLC控制器。该控制器具有优良的性能，可以对数据信息进行快速、准确的分析处理。同时控制器具有丰富的通信接口和I/O接口，可以便捷的与其他硬件设施进行连接，实现数据信息交互[8]。为输送机的数据传输、故障检测与诊断、系统保护等提供了坚实的保障。

(2)胶带秤。胶带秤的作用是对输送机中运输量进行检测，选用的是ICS电子胶带秤。主要是利用质量传感器对煤炭量进行检测，并且输出为标准的模拟量电压信号，信号经过放大、A/D模块转换后可以在显示面板上进行展示。选用的胶带秤整体结构简单、操作便捷、具有良好的检测精度、方便维护。

图3 控制系统主要硬件结构框图Fig.3 Block diagram of main hardware structure of control system

(3)煤仓料位计。煤仓的作用是对开采得到的煤块物料进行临时存储，然后利用输送机进行运输。本系统基于雷达料位计对煤仓料位进行检测，具体型号为VEGAPLUS 68，已有的实践经验表明，该传感器具有良好的检测精度，能满足复杂的矿井工矿环境，输出的是标准的模拟量电流信号。

(4)变频器。控制系统中需要通过变频器调整输入电机中的电流频率，从而对输送机电机的输出转速进行控制。选用的是BPJ系列变频器，具有良好的防爆功能，利用变频器可以实现带式输送机的功率平衡、软启动等。

(5)速度传感器。速度传感器的原理是将电机输出转速转换成为一定频率的脉冲信号，再通过计算器进行计数处理后获得对应的旋转速度。系统中选用的速度传感器型号为CS1。

(6)各种保护传感器。为了避免带式输送机运行时出现打滑、跑偏、撕裂、堆煤等问题，需利用传感器对以上问题进行检测。另外，为了保障煤矿运行环境安全，需要对环境中的瓦斯、烟雾、温度等进行检测。

(7)功率采集模块。主要是对输送机运行中的功率、电流及电压等参数进行采集，以更好地掌握设备运行状态，确保设备运行安全和可靠。系统中选用的功率采集模块型号为LM-704。

3 PLC控制系统设计

在对PLC控制系统进行设计前，需要根据实际情况对系统需要的数字量模拟信号输入接口和模拟量输入接口的数量进行统计，结果发现以上2个接口的数量分别为18个和2个。为了实现输送带预警以及交流接触器的控制，需要2个数字量输出模块接口，通过输出模块接口实现打点控制和制动闸的控制。

PLC控制器基于模块化思想设计，在对控制系统进行设计时，需要根据需要对PLC控制器的各个模块进行选择，在选择模块时需要考虑控制系统未来的拓展需求，预留一定的裕量。

表1 PLC控制器各个模块的选择情况Tab.1 Selection condition of each module of PLC controller

根据PLC控制器各个模块的选型情况，可以对整个PLC控制系统进行设计。PLC控制系统的接线原理如图4所示。

图4 PLC控制系统的接线原理示意Fig.4 Schematic diagram of wiring principle of PLC control system

由图可知，PLC控制单元通过各类输入、输出或通信接口实现与其他模块之间的连接，将传感器采集得到的数据信息全部输入到PLC控制器中进行分析与处理。

CPU模块还通过以太网实现与上位机之间的连接，将数据传输到上位机中进行存储并在显示屏上显示，以便工作人员能及时、直观地掌握带式输送机的运行状态。

4 PLC控制器的软件设计

对于一个完整的控制系统，硬件部分是实现功能的基础，软件部分是实现各项功能的灵魂。在软件程序的驱动下才能实现带式输送机运行过程的优化控制并实现故障预警。

4.1 软启动控制

带式输送机软启动过程的基本工作流程如图5所示。由图5可知，程序启动运行以后，首先对保护进行检测，确保能够正常工作后才会启动抱闸，如果保护无法正常工作，则会拒绝开车启动。然后依次对电机风扇、张紧装置是否启动、变频器是否启动并按“S”形曲线控制频率从零增加等进行检测，每个环节在确保正常工作后才会进入下个环节。通过软启动能够降低带式输送机在重载启动时对设备自身造成的冲击，以及对井下供电网络造成的冲击，提升设备运行过程的稳定性，降低故障率[9]。

图5 软启动过程的工作流程Fig.5 Workflow of soft start process

4.2 功率平衡控制

研究的带式输送机同时由2部电机进行驱动，电机之间的功率平衡是提升电机寿命，并保证输送机运行稳定性的基础和前提。因此，需要通过PLC控制系统实现两部电机之间的功率平衡[10]。在供电电压相同的情况下，电流是反映电机功率的重要指标。因此，需要对2部电机运行时的电流I1和I2分别进行检测，并计算两者的平均值Ip。当电机电流与平均值之间的差别不超过5%时，不对电机的运行功率进行调整，目的在于避免频繁调整电机功率影响系统和设备的运行稳定性。当两者之间的差别超过5%时，通过降低功率较大电机的供电频率和增加功率较小电机的供电频率的方式，来减小2部电机之间的功率差值，直到两部电机的功率差值在系统设定的范围内时为止。

4.3 系统运行优化控制

节能降耗是PLC控制系统的重要功能之一，主要从2个方面着手降低带式输送机运行过程中的电能消耗。①对输送煤量和运行速度进行检测，确保两者之间相互匹配，避免长时间高转速运行造成的电能浪费；②对于大型企业不同时间段的电价存在差异，通常深夜的电价相对便宜，白天的电价相对更高，配合煤仓的使用，在确保煤仓安全的情况下尽量降低用电高峰期设备的运行速度，提升用电低谷期设备的运行速度，从而减低企业的电费支出。PLC控制系统的优化控制工作流程如图6所示。

图6 PLC控制系统的优化控制工作流程Fig.6 Optimized control workflow of PLC control system

由图6可知，系统启动运行后，首先检测保护是否正常，不正常则拒绝开车并预警，如果保护正常则进行软启动，然后开始对带式输送机的运行速度、输送煤量以及煤仓料位等信息进行实时检测，并结合用电时间段分析是否满足调速条件。如果满足调速条件，则开始进行优化运算，确定最优的运行速度，下达指令对变频器进行控制，输出对应的供电频率，实现带式输送机运行速度的优化控制。

4.4 系统故障预警

PLC控制系统运行中会利用传感器对带式输送机运行环境参数以及常见的故障问题进行实时检测，将检测结果传入控制器中进行分析处理。针对每个环境参数或故障问题，系统都设定有安全阈值范围，当检测结果不在安全阈值范围以内时，意味着存在安全隐患或故障问题。为了保证井下设备和人员安全，系统会下达指令对输送机作停机处理。

5 PLC控制器在输送机中的应用效果

将设计的基于PLC控制器的带式输送机节能系统应用到煤矿工程实践中，首先对系统的运行情况进行初步调试，确保能够正常运行后正式投入应用。为了分析系统的运行效果，对带式输送机未使用系统和使用系统的情况下，分别统计了连续一周内的煤矿运输情况及电量参数。带式输送机在应用节能系统前后的能耗情况对比如图7所示，图7中恒速运行代表未使用节能系统，节能运行代表应用了节能系统。

图7 节能系统运用前后带式输送机的能耗情况对比Fig.7 Comparison of energy consumption of belt conveyor before and after application of energy-saving system

由图7可知，带式输送机在使用节能系统前后1周内，运输的煤矿物料总量分别为23.858 083万t和23.868 943万t，两者相差不大。使用系统前，1周内耗费的电量为252 402.07 kWh，使用后的耗费电量为176 693.82 kWh。根据不同时间段的电价可以计算得到，1周内的总电价分别为124 737.1元和71 004.87元。基于以上数据可以看出，在运输总量相差不大的情况下，使用基于PLC控制器的节能系统使得耗电量和总电价大幅度降低。

为了更好地对比分析，对输送机的能耗和总电价进行标准化处理。根据以上数据可以计算得到万吨输送量对应的能耗以及总电价情况。能耗方面：W恒=10 579.31 kWh，W节= 7 402.56 kWh；电价方面：J恒= 5 228.30元/周，J节=2 974.78元/周。

根据以上计算结果可以得到，使用节能系统后，带式输送机在能耗和电价方面的降低幅度，结果如图8所示。从图8中可以看出，能耗和电价的降低幅度分别达到了30.03%和43.1%。说明基于PLC控制器的节能系统取得了较好的效果，可以为煤矿企业创造良好的经济效益。

图8 使用节能系统后能耗和电价的优化效果Fig.8 Optimization effect of energy consumption and electricity price after using energy-saving system

6 结论

以DTL120/150/2×200型带式输送机为对象，基于先进的PLC控制器设计了设备的节能系统，可达到节能降耗的效果。

(1)系统运行时利用各类传感器对带式输送机的安全参数、运行状态参数及环境参数等进行检测，结果传入PLC控制器中进行分析处理，在保证设备运行安全的前提下，实现设备运行速度的优化控制。

(2)选用的PLC控制器型号为S7-1200，具有良好的性能。采用模块化思想进行设计，主要包括CPU模块、电源模块、数字量和模拟量输入模块等。

(3)从设备软启动、多电机功率平衡、运行速度优化和系统故障预警4个层面详细介绍了节能系统的软件程序工作流程。系统可综合考虑实际运输煤量、煤仓料位、用电时间段等因素对运行速度进行优化运算。

(4)将基于PLC控制器的带式输送机节能系统应用到工程实践中，经现场应用发现效果良好。与未使用系统前相比较，电能消耗和电价支出分别降低了30.03%和43.1%，设备运行稳定性也显著提升，为企业创造了良好的经济效益。