矿用带式输送机自动控制系统的应用研究

王俊峰

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司， 山西 高平 048400）

引言

矿用带式输送机作为煤炭采掘工作过程中极为重要的输送设备，是煤炭企业正常生产作业的重要保障[1]。控制系统作为矿用带式输送机重要组成部分，其控制技术的先进性直接关系着带式输送机的工作效率，必须引起高度重视[2]。当前服役的矿用带式输送机多采用的是恒转速控制，运行过程存在皮带转速与运煤量不匹配问题，启动和运转时存在明显的抖动情况，制约了矿用带式输送机效率的进一步提升[3-5]。为了解决上述矿用带式输送机存在的问题，以某煤矿在用矿用带式输送机为研究对象，开展自动控制系统的设计与应用研究，引入矿用带式输送机速度自动控制功能，对提高矿用带式输送机控制系统的可靠性、保证矿用带式输送机节能高效运行具有重要意义[6]。

1 带式输送机控制系统架构

带式输送机控制系统架构设计过程主要考虑了运行稳定性和可扩展性，同时兼顾了系统的环境适应性和抗干扰性，以便达到提高带式输送机效率的目的。如图1 所示给出了带式输送机控制系统的架构，采用了PLC 作为控制系统的核心单元。

2 带式输送机控制系统硬件设计

2.1 PLC 选型

可编程逻辑控制器（PLC）作为带式输送机控制系统的核心部件，是系统实现皮带输送机自动控制的关键，此处选择的PLC 为西门子生产的S7-300。该PLC 具有较强的逻辑分析计算能力，同时具有很好的功能模块扩展性，可扩展出32 个模块，很好地满足带式输送机控制系统的控制功能要求。如图2所示，给出了带式输送机控制系统中PLC 与各硬件之间的连接关系。

图1 带式输送机控制系统架构

图2 PLC 与各硬件之间的连接关系

2.2 高压变频器选型

变频器作为实现带式输送机自动控制的执行元件，系统设计过程中采用了西门子生产的高压变频器，以便保证其质量合格和性能可靠。所选高压变频器结构简单，具有较强的抗干扰性能，可以实现超长距离的控制；引入了无速度传感器矢量控制技术，能够实现多种启动控制模式下的扭矩精准控制；电压适应性强，即便电压降低至55%，变频器也能正常工作；变频的效率很高，大于98.5%，变频因数大于0.95；绝缘性能高达H 级，防护等级优于P20。变频器质量出众，费用较低，能够满足带式输送机自动控制系统要求。

2.3 传感器配置

传感器配置基于带式输送机自动控制系统数据采集要求及KTC101 系统完成，以便实现带式输送机运行过程中速度等的监测调整功能。

2.3.1 速度检测传感器

速度检测传感器能够完成输送机运行过程中皮带转速的监控，当检测得到皮带转速为额定转速的55%～70%之间，持续时间大于15 s，系统分析判断皮带出现了打滑情况，会发出打滑报警信号；当检测得到皮带的转速为额定转速的110%，系统分析判断皮带出现了过载情况，会发出过载报警信号；当检测得到皮带的转速瞬间降低至额定转速的50%时，系统分析判断皮带出现了断带情况，会发出断带报警信号并及时停止输送机继续运行，避免出现事故。

2.3.2 煤位传感器

煤位传感器能够检测带式输送机运输运行过程中煤炭的位置，判断煤炭是否出现脱离既定位置，煤位传感器安装于煤仓上端。当煤位传感器检测得到煤炭脱位，持续时间大于10 s，系统将会判断得出煤炭脱位，会发出带式输送机停止运行的信号，确保其及时停机。

2.3.3 皮带跑偏开关

皮带跑偏作为带式输送机运行过程中普遍存在的问题，必须进行有效的控制才能确保其可靠工作。带式输送带运行时动作杆能够触发传感器，主控制器接收传感器的跑偏信号，系统会发出跑偏报警；当皮带运行过程出现严重跑偏时，系统会发出输送机停机指令，避免出现更大的事故。皮带跑偏开关安装在机头位置，两侧各安装一个。

3 带式输送机控制系统软件设计

3.1 启动控制程序

带式输送机启动之前控制系统需要检测多种备妥信号，确定输送机是否满足启动条件。当系统确定输送机满足启动条件时，就会发出启动预警信号，松开抱闸，带式输送机就会按照既定的启动曲线进行加速，直至达到带式输送机额定转速为止。如图3 给出了带式输送机控制系统启动流程图。

3.2 变频器矢量控制程序

图3 带式输送机启车控制流程

图4 变频器矢量控制流程

变频器矢量控制功能的实现依托于无速度传感器完成，达到输送机软启动的目的。为了实现带式输送机负荷波动的有效控制，系统的矢量控制设计为主从协调控制模式，如图4 所示。主从协调调控能够对定子电压矢量进行很好的调控，提高电机转矩的工作效率。带式输送机运行时，主变频器进行输送机矢量的控制，将设置好的转矩信号传输至变频器得到统一的转矩信号，之后传输至输送机电机，实现电机恒转矩运行。与此同时，主变频器的另一个任务是控制和调整带式输送机的皮带转速，适应现场皮带输送机的负载。主变频器正常工作时从变频器备用，一旦输送机运行过程中出现故障，从变频器立刻接管主变频器的功能，避免输送机速度异常导致事故。

3.3 速度调节控制程序

为了提高带式输送机的运煤效率，控制系统设计了运转速度调节控制程序，以便实现带式输送机在最佳的转速工作，节约能源和成本。系统能够根据输送机上的煤炭运载量实时调整运行速度，达到低载快速、高载慢速、高电费低转速、低电费高度等控制目的。系统能够实时采集得到皮带实际的运行速度和煤炭载荷，分析计算得出运行速度和煤炭载荷的最佳匹配关系。速度调节控制功能既能保证煤炭的顺利输送和效率，还能降低煤炭的运输成本，实现带式输送机工作过程的智能控制。

4 应用效果评价

为了验证带式输送机控制系统的设计效果，将其应用于某煤炭在用带式输送机，该带式输送机的额定电压为10 kV，实际运载煤炭的能力为1 800 t/h。应用过程中分别采集带式输送机恒速运行和调速运行模式下的部分速率变化曲线和电流波动曲线，如图5 所示。由图5 可以看出变速控制模式下的带式输送机速率和电流变化趋势相较于恒速控制模式更为平滑，整体未出现突变情况，说明带式输送机运行稳定可靠。

图5 载煤量1 800 t/h 时带式输送机速率与电流变化曲线