王 丹

（晋能控股煤业集团晋华宫矿， 山西 大同 037003）

引言

带式输送机是煤炭开采企业的主要运输设备，设备运行安全、高效、节能对企业生产至关重要。传统的带式输送机为保证过载情况下设备仍可以可靠运行，故在功率设计时往往留有余量，这就导致在实际生产过程中带式输送机的运行往往无法达到满载状态，使得设备处于大马拉小车的状态。设备的空载或轻载运行不断会造成机械磨损加剧，同时也会造成设备能源大量浪费。针对这一现象，本文拟通过运用PLC 控制器+变频器的方法对带式输送机运行速度进行优化控制，以期减少设备磨损，提高能源使用效率。

1 带式输送机节能控制系统结构设计

带式输送机控制系统应包括五大部分，分别PLC控制器、变频器、电机、上位机以及所需的传感设备[1]，其结构示意图如图1 所示。输送机可由异步电动机驱动，配合变频器调节输出的频率与电压，从而实现对皮带速度的控制。在带式输送机运行过程中需对煤流量、皮带速度以及电量使用情况进行实时监测，并对采集到的数据进行优化，使输送机运行状态达到最佳。运行速度主要通过速度传感器进行数据采集，煤流量通过电子皮带秤进行数据监测，设备的功率与电流大小通过功率采集模块进行数据采集。将采集数据进行汇总分析后，通过PLC 控制变频器使设备处于最佳运转状态，实现节能的目的[2]。

图1 带式输送机控制系统结构示意图

2 控制硬件设计

PLC 控制技术经40 年的发展已逐步发展成熟，其运用大规模现代集成电路技术，经过精密制造后，具备可靠性高、抗干扰强、变成灵活、使用方便等特点，较为适合运用于带式输送机控制系统设计中[3]。由上文可知，控制系统的硬件需进行PLC 控制器设计、变频器设计、煤流量监测设计、功率监测设计以及速度传感器设计。

2.1 PLC 控制器设计选型

PLC 控制器为带式输送机控制系统的主要控制部件，对输送机控制系统的安全可靠性以及设备节能性影响巨大。PLC 控制器应在满足相关要求与设计指标的前提下，尽可能地使设计更为简单、高效、安全、可靠、经济。同时，功能与容量还应保留一部分的冗余，便于日后设备的改造与维护。由于煤炭企业的生产环境较为恶劣，控制设备的稳定性应成为控制器选型的主要指标之一。本文选用西门子S7-1214PLC 为主控制器。

2.2 变频器设计选型

变频调速技术具有调速性能优良，负载适应能力强等特点，可对带式输送机控制系统进行节能优化。变频器较为常用的模式为交- 直- 交变换模式，主要包括整流、中间直流以及逆变3 个环节，其具体结构示意图如下页图2 所示。

图2 变频器结构示意图

交- 直- 交变换模式的控制方法主要有三种，其具体为：

1）可控整流器调压和逆变器调频的方法。

2）二极管整流、逆变器调频、斩波器调压的方法。

3）PWM逆变器调频调压、二极管整流的方法。

由于PWM 逆变器生成的输出电压脉宽在按正弦变化时，可使电动机的电流也按正弦规律变化，使谐波的影响尽量降低，同时电网波形畸变也可减小，使功率因数提高，故本文选择PWM 逆变器调频调压、二极管整流的控制方法。变频器的调速控制采用变频器的常用调速方式U/f 恒定控制方式，该方法属于恒磁通调速，电压可随电源的频率变化而变化，比值数值较为恒定[4]，其原理图如图3 所示。

图3 U/f 恒定控制方式原理示意图

图3 中，LA 代表加减速单元，VFC 代表压频变换单元，μ-COM 代表微型数据处理单元，DAC 代表数模转换。经综合分析，本文变频器选择西门子的6ES71 变频器，也可使系统兼容性更强。

2.3 其他硬件设计选型

煤流量监测主要通过皮带秤进行数据采集而实现监测，常用的皮带秤有电子皮带秤、激光皮带秤、超声皮带秤以及核子皮带秤。其中，核子与激光皮带秤使用中带有辐射，超声皮带秤精度较低，故本文选用电子皮带秤[5]。ICS-ST 电子皮带秤符合要求，选取该型号为煤流量监测设备。

功率监测主要通过三相功率采集模块进行监测。本文选用EDA9033A 模块符合设计要求。

皮带的速度监测可选用GSH5 型速度传感器，将其安装在滚筒支架上，运用霍尔原理，当皮带带动滚筒旋转可通过传感器的脉冲信号结合直径、个数、单位时间内的脉冲数量方可计算出运行速度。

3 控制软件设计

带式输送机的控制系统软件设计主要包括上位机软件编辑与PLC 控制程序设计两部分。其中，PLC控制程序设计采用TIA Portal 软件进行设计；上位机软件编辑采用WinCC7.3 软件进行组态设计。PLC 控制程序中，速度的调节主要与煤炭流量有关。在实际设计中，控制器设计不应过于灵敏，防止输送机速度不断调节，系统无法稳定运行。故调速程序设计将煤流量划分为范围一定的区间，当煤流量处于对应区间时，调节为相应的速度v。同时，本系统还进行了煤流量扰动设计，3 s 内的煤流量不稳定变化不予以设定，3 s 外的稳定煤流量变化速度才进行相应调节，其调速流程示意图如图4 所示。

图4 带式输送机调速流程示意图

上位机软件设计主要有系统管理、监控界面以及数据管理三部分组成。其中，系统管理为上位机软件的核心部分，主要由值班管理与用户管理组成；监控界面是直观展示输送机状态的界面，主要由综合保护状态、运行参数以及趋势缺陷三部分组成；数据管理主要是对控制系统的数据进行归档与存储，由数据查询、数据归档以及故障记录三部分组成。上位机软件结构示意图如图5 所示。

图5 上位机软件结构示意图

4 系统测试

按上述设计方案进行设计研究并应用于晋华宫矿，对通信系统、PLC 控制系统以及上位机系统进行调试后进行实际测试，由测试可知，带式输送机运行稳定可靠，运行速度可随着煤流量的变化进行调节，设备磨损下降，设备电能损耗大幅下降，较应用该系统上一年节约成本约35%。

5 结论

带式输送机作为煤矿开采企业的重要运输设备，常存在大马拉小车的空载或轻载现象，使得设备磨损加剧，电能大幅浪费。本文针对这一现象进行研究并得出了以下结论：

1）影响总阻力大小的主要因素为皮带运行速度与煤流量，需对这两方面进行监测优化。

2）运用PLC 控制器+变频器的方法进行节能优化设计，输送机运行稳定，速度调节达到预期目标，设备磨损下降，电能损耗降低。