皮帶運輸效率優(yōu)化方案設計研究
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摘要：傳統(tǒng)帶式運輸機以液力耦合器為主，存在壽命短、能耗大、效率低下問題。提出了一種基于PLC可編程邏輯控制器、變頻調(diào)速技術(shù)、傳感技術(shù)和通信技術(shù)的井下皮帶運輸機效率優(yōu)化方案，并給出了部分硬件設計原理以及軟件設計流程。現(xiàn)場運行情況表明，系統(tǒng)滿足預期要求，提高了皮帶運輸效率，降低了生產(chǎn)成本，適合推廣應用。
關(guān)鍵詞：礦井現(xiàn)代化；PLC；變頻調(diào)速；運輸效率優(yōu)化
引言
帶式運輸機在煤礦生產(chǎn)中有著不可或缺的作用。傳統(tǒng)井下帶式運輸機采用液力耦合器進行軟啟動，但使用效果弊大于利，存在故障率高、維修難度大、無功環(huán)流損耗、傳動效率低等問題。隨著現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，井下皮帶運輸系統(tǒng)的智能化水平也越來越高，越來越多的高新技術(shù)用于皮帶運輸系統(tǒng)之中，提高了皮帶運輸機的效率和安全性。本文設計了基于變頻調(diào)速技術(shù)、PLC、智能控制技術(shù)的皮帶運輸系統(tǒng)，結(jié)合煤礦運輸?shù)奶攸c，對系統(tǒng)的整體方案進行了優(yōu)化，包括系統(tǒng)硬件電路設計和軟件算法設計，提高了皮帶運輸效率，降低了能源損耗，具有一定的現(xiàn)實意義[1]。
1皮帶運輸效率優(yōu)化概述
1.1傳統(tǒng)皮帶運輸系統(tǒng)的不足
液力耦合器是傳統(tǒng)井下皮帶運輸機主要采用的機件，但是它的存在增加了空載啟動環(huán)節(jié)，會對系統(tǒng)內(nèi)部元件造成嚴重損壞，同時對皮帶強度也有高的要求；對于井下運輸量工作量大的問題，往往需要多電機進行驅(qū)動，而液力耦合器無法解決多電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不平衡問題。傳統(tǒng)帶式輸送機采用恒速運行，經(jīng)常出現(xiàn)低載高速甚至空載高速運行的現(xiàn)象，智能化程度低，導致工作效率低，浪費大量電能[2-3]。
1.2皮帶運輸效率優(yōu)化
變頻調(diào)速技術(shù)目前已經(jīng)相當成熟，用在皮帶運輸系統(tǒng)上具有很多優(yōu)勢。該技術(shù)可以更好地實現(xiàn)皮帶機軟啟動，降低皮帶強度，實現(xiàn)多電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩平衡問題；同時由于具有調(diào)速功能，基于智能控制技術(shù)，皮帶運輸系統(tǒng)可以根據(jù)負載的重量情況對電機的速度進行自動調(diào)節(jié)[4]。本文提出了一種皮帶運輸系統(tǒng)的優(yōu)化方案，將變頻調(diào)速技術(shù)應用于皮帶運輸系統(tǒng)中，聯(lián)合傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)，可以更好地實現(xiàn)運輸系統(tǒng)軟啟動，根據(jù)不同的運量合理安排運輸機的帶速，同時通過監(jiān)控系統(tǒng)和上位機軟件進行實時監(jiān)控，通過這種方式可以快速實時定位故障點，提高了皮帶運輸系統(tǒng)的智能化程度和皮帶運輸效率。
2系統(tǒng)優(yōu)化方案設計
本文設計的皮帶運輸系統(tǒng)優(yōu)化方案如圖1所示。系統(tǒng)中包括變頻器部分、PLC可編程邏輯控制器、電參數(shù)采集模塊、各種井下傳感器、RS485通信電路、上位機部分。其中PLC控制器的主要功能是對煤礦井下的各種實時信息進行采集，采集到的信息通過原先設計好的算法進行運算，將PLC的運算結(jié)果作為依據(jù)來控制井下設備的啟停，同時井下信息會實時傳輸給上位機，地上工作者可以對皮帶運輸系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控。系統(tǒng)中的傳感器部分、電參數(shù)采集模塊用來負責檢測帶式運輸機的電壓電流參數(shù)、轉(zhuǎn)速、煤位以及井下煙霧濃度。主從變頻器用來根據(jù)實際情況或者上位機命令來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。
3硬件平臺電路設計
3.1PLC控制器選型
PLC，也稱可編程邏輯控制器，是一種新型的工業(yè)控制裝置，適用于煤礦井下各種惡劣的環(huán)境[5]。本文的系統(tǒng)主控制器選擇了西門子S7-200系列的PLC控制器。該產(chǎn)品在我國使用范圍非常廣泛，可靠性穩(wěn)定，控制作用強大，數(shù)據(jù)運算處理能力強，具有多個I/O口，通信擴展能力強。PLC控制器的硬件系統(tǒng)需要CPU模塊、通信模塊、數(shù)字輸入量擴展模塊等支持。對于CPU模塊，本系統(tǒng)采用了CPU-224XP，該模塊中包含3個模擬量輸入輸出點，24個數(shù)字量輸入輸出點。對于通信模塊，系統(tǒng)采用了CP243-1，該通信模塊具有很強的網(wǎng)絡擴展能力，支持PLC多種網(wǎng)絡通信。對于數(shù)字量輸入擴展模塊，系統(tǒng)選用了西門子公司的EM221系列。
3.2變頻控制電路設計
變頻器可以控制皮帶運輸機的電機進行智能調(diào)速，更好地實現(xiàn)電機軟啟動和停止，減弱對電網(wǎng)的沖擊，提高皮帶壽命。而且變頻器通過與PLC通訊，煤礦井下采集數(shù)據(jù)經(jīng)PLC分析處理可以控制皮帶運輸機電機的頻率和電壓，繼而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，使其勻速、高速、低速運行，實現(xiàn)智能調(diào)速和智能化運輸。本系統(tǒng)的變頻器采用了AC-DC-AC交換模式，其中變頻器主電路是由整流電路、中間直流電路和逆變電路3個部分組成的。變頻器結(jié)構(gòu)如圖2所示。對于變頻器變頻調(diào)速技術(shù)，變頻方式有很多，本文的AC-DC-AC型變頻器采用的調(diào)壓調(diào)頻方式為二極管整流和PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻方式。PWM逆變器可以輸出按正弦規(guī)律變化的電壓脈寬，通過這種方式，電機電流的波形會接近于正弦波，不但可以減弱電流諧波影響，提高功率因數(shù)，更能減小電網(wǎng)波形畸變。變頻器的引入對于皮帶運輸系統(tǒng)效率提升是一個質(zhì)的飛躍，PLC通過數(shù)據(jù)分析處理發(fā)出控制信號控制變頻器，工頻、交流輸入信號在變頻器的作用下轉(zhuǎn)換為頻率電壓可調(diào)的AC輸出信號，近而對皮帶輸送機實現(xiàn)智能調(diào)速。
3.3電機轉(zhuǎn)速檢測電路
本文皮帶傳輸系統(tǒng)引入了變頻調(diào)速技術(shù)，因此系統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)速檢測與調(diào)節(jié)尤為關(guān)鍵。目前電機轉(zhuǎn)速檢測采用測速儀，性價比低，不利于大范圍使用。在煤礦下電機轉(zhuǎn)速需要實時檢測，并且精確測量，因此采用霍爾傳感器檢測到的脈沖信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到電機實時轉(zhuǎn)速。在PLC定時器中將電機實測轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)化為技術(shù)算法，把結(jié)果顯示在上位機監(jiān)控軟件和LCD顯示屏上，聯(lián)合智能控制技術(shù)，實時調(diào)節(jié)電動機達到最佳轉(zhuǎn)速，提高工作效率。圖3所示為硬件電路圖，工作原理是：將一塊永久磁鐵附于電機軸表面，磁鐵附近固定一個霍爾傳感器，背對磁鐵。皮帶運輸機工作，電機轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動時，磁鐵從霍爾傳感器背面經(jīng)過，脈沖信號通過放大整形電路轉(zhuǎn)換。電路圖中電阻為上拉電阻，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動磁鐵通過時，電阻前面的引腳從0V變?yōu)?V，后端的三極管輸出脈沖波形，波形的頻率經(jīng)過公式換算即為轉(zhuǎn)速大小。
3.4RS485通訊電路設計
在當下的煤礦井下，電參數(shù)采集模塊以及各種傳感器與PLC的通信方式采用RS485通信電路，一般都具有RS485信息接口。利用RS485通信電路，可將電參數(shù)采集模塊采集到的各種參數(shù)如電壓、電流、功率、功率因數(shù)等以及轉(zhuǎn)速、溫度、煙霧濃度等信息上傳到PLC控制器上進行分析處理。礦井下通信接口需要滿足電路本質(zhì)安全，為此選用MAX1480B隔離芯片，此芯片可以有效保護采集信息單元內(nèi)部電路破壞，隔離瞬時高壓。RS485通訊采用雙路差分傳輸模式，但由于差分信號M、N之間產(chǎn)生的反射信號會對采集數(shù)據(jù)帶來干擾，如圖4所示，本文在隔離芯片后端外接120Ω匹配電阻，同時在接地端連接1kΩ下拉電阻，在電源端連接1kΩ上拉電阻，這樣可以更可靠地傳輸數(shù)據(jù)。
4軟件流程設計
本文所設計的優(yōu)化方案采用的控制器為PLC，為減少軟件系統(tǒng)開發(fā)工作的時間周期，采用組態(tài)軟件進行開發(fā)工作。PLC控制系統(tǒng)程序設計主要包括主程序設計、軟起動控制程序設計、通信程序設計、調(diào)速子程序設計、中斷程序設計、故障程序設計等。在調(diào)速子程序中，本文采用了模糊控制智能技術(shù)，通過PLC設計相關(guān)算法，可以根據(jù)皮帶上面煤量的負重來智能調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，提高皮帶運輸系統(tǒng)的壽命?？偝绦蛄鞒倘鐖D5所示。
5結(jié)束語
本文在分析傳統(tǒng)煤礦井下皮帶運輸機電氣系統(tǒng)不足的基礎上，針對皮帶運輸機效率低下問題，設計了一種基于可編程邏輯控制器、變頻調(diào)速技術(shù)、傳感技術(shù)和有線通信技術(shù)的井下皮帶運輸機效率優(yōu)化方案，介紹了優(yōu)化方案的系統(tǒng)整體設計及各部分關(guān)系。在系統(tǒng)的硬件平臺電路設計中，以PLC為主控制器，詳細介紹了變頻器的結(jié)構(gòu)圖，電機轉(zhuǎn)速檢測電路設計，RS485通訊電路設計。實際運行情況證明該方案達到預期目標，效率提高，具有一定推廣意義。
參考文獻：
［1］史晉岳.煤礦運輸皮帶系統(tǒng)中變頻調(diào)速技術(shù)的應用探究［J］.機械研究與應用，2018（4）：181-182.
［2］何磊.煤礦帶式輸送機的電氣節(jié)能技術(shù)研究［D］.西安：西安科技大學，2010.
［3］王惠杰.基于變頻調(diào)速控制的皮帶運輸機電氣系統(tǒng)設計優(yōu)化［J］.機械管理開發(fā)，2018（12）：219-220.
［4］溫凱瑞.帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學，2018.
［5］端木炎.PLC用于皮帶運輸機的集中控制設計［D］.上海：復旦大學，2013.
作者：喬喆 單位：晉城市煤炭煤層氣工業(yè)局