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带式输送机智能控制系统研究与应用

发表时间：2021/4/15 来源：《建筑科技》2020年10月上作者：王甜甜

[导读] 近年来，我国发展迅速智能控制使用越来越广泛，为了提高选煤厂带式输送机的安全运输、降低运输能耗，研究了选煤厂带式输送机控制系统整体结构，主要由各种传感器、电机、变频器和PLC控制器构成;分析了PLC控制模块工作流程，对系统的硬件的各类传感器进行了选型，并设计了PLC控制器、变频器及上位机;研究了系统软件部分，实现远程控制、绘制历史曲线等。

山东锦德荣工业装备有限公司王甜甜 271100

摘要：近年来，我国发展迅速智能控制使用越来越广泛，为了提高选煤厂带式输送机的安全运输、降低运输能耗，研究了选煤厂带式输送机控制系统整体结构，主要由各种传感器、电机、变频器和PLC控制器构成;分析了PLC控制模块工作流程，对系统的硬件的各类传感器进行了选型，并设计了PLC控制器、变频器及上位机;研究了系统软件部分，实现远程控制、绘制历史曲线等。带式输送机智能控制系统提高了煤炭运输工作效率、降低了生产成本。
关键词：带式输送机；智能控制；系统；研究；应用
        引言
        对矿用运输设备—带式输送机进行了理论研究，并对其能耗进行了详细的讨论，得出合理地调节输送机的运行速度能够保证装载量达到额定值，从而有效降低能耗。对于带式输送机智能控制系统的优化，采用加速度形式下的动态时间间隔调速方法，结合超声波技术对带式输送机进行速度的调节和物料量的计算，实现了速度与物料量的匹配。带式输送机速度可随煤流量的变化稳定地过渡，且设备处于满载运行状态，在减弱设备磨损的情况下实现了矿井的高效开采，有效地节约了能源且优化了带式输送机智能控制系统。
        1输送机智能控制系统的结构
        根据煤矿井下的实际情况，输送机系统在运行过程中输送带上的煤量主要是受落料点落料速度、落料量的影响，因此对输送带上煤量的判断可通过对落料点落料情况的监测来进行，传统的采用在落料点设置皮带秤的方式容易受落料冲击产生波动，监测效果偏差大。因此本文采用了超声波传感器对落料情况进行监测，利用超声波的多点监测技术来判断落料情况。
        该带式输送机智能控制系统主要包括了监测模块、中央处理模块和执行模型。监测模块主要是指设置在落料点的超声波传感器以及设置到输送机系统上的各类速度传感器，用于对输送机系运行过程中的状态进行监控，各个监控结果通过传输系统集成到集线器（HUB）内，然后再传输到智能控制系统的中央处理模块，对系统的运行状态和调整量进行分析，最终将调整值发送到各个驱动电机的变频器内，调整变频器的输出信号，进而实现对输送机运行带速的智能控制。
        该控制系统采用了模糊匹配控制逻辑，系统首先对获取的输送机的运行带速和煤流量进行模糊匹配分析，获取最佳匹配带速，然后系统对实际带速和理论带速情况进行对比，若满足匹配结果则系统保持现有运行状态不变，若不满足现有匹配结果则系统将根据所获取的差值确定各个电机的运行转速和对应性的变频器的输出信号信息，实现对多电机驱动输送机系统运行带速的智能调整。
        2智能控制系统设计
        2.1系统组成及工作原理
        智能调速控制系统由变频器传输、逻辑控制、传感器采集三大模块组成。变频器实现皮带和驱动电动机能够按照自适应的方式调节自身速度；逻辑控制功能由工控机PLC与上位机联合实现，将传感器收集的模拟量转化为数字信号，进行分析决策，控制系统的关键动作（如制动、张紧、变频等）；超声波及速度传感器传感器负责底层的数据采集工作，传感器收集信号信息以及模拟量数据，根据配电柜的电流数据判断带式输送机的瞬时功耗。控制系统根据瞬时煤炭载荷量和皮带速度对功率进行合理调整。
        2.2智能控制方案
        由于不同时间段内开采的煤流量不是均匀的，控制系统在检测煤流量时，通常是前面通过后一段皮带的煤流量，在数据采集方面存在滞后性。因此，煤流量的载荷与皮带速度相对应的是模糊概念，应采用模糊控制算法实现智能调速控制。以PID模糊控制算法为手段，将误差e、误差变化率∑e作为输入量，在控制器后段加入积分环节，实现模糊PID控制。带式输送机的每个控制数据分为一个等级，并且每一个数据作为一个输入量，将输出量与输入量对应明确的计算规则。

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        3智能控制系统功能实现
        3.1监控系统设计
        监控系统设计主要是对IFIX监控界面进行设计，IFIX软件利用以太网、计算机串口、GPRS、总线对智能仪表和PLC控制器进行数据的通信。IFIX主要由采集数据模块和管理数据模块构成，采集数据模块将采集好的数据进行整理，利用I/O模块实现通信的传输;管理数据模块主要由监控模块、可视化界面等组成。可视化界面主要由登录界面、胶带监控主界面、开停查询界面、故障查询界面和历史曲线界面组成。
        3.2系统硬件选型
        对带式输送机智能控制系统的传感器数据设备进行选型，设备均应符合防水、防潮、防爆要求，能够适应煤矿恶劣的工作环境。选取本质安全性能优异GSH200型传感器作为速度检测装，变频调速装置选用防爆型设备，根据额定输入电压和输入功率选取BPJ-500/1140V型变频器。选用PLC工业控制器，型号为CPU—224XPCN。速度传感器将检测到的数据通过I/O接口传输至PLC控制系统，并对速度大小进行修正，使输送量与带速始终处于最佳比例。此外，带式输送机智能控制系统还包括激光扫描仪、液力耦合器、电动机、上位机等辅助性设备。
该控制系统采用了模糊匹配控制逻辑，系统首先对获取的输送机的运行带速和煤流量进行模糊匹配分析，获取最佳匹配带速，然后系统对实际带速和理论带速情况进行对比，若满足匹配结果则系统保持现有运行状态不变，若不满足现有匹配结果则系统将根据所获取的差值确定各个电机的运行转速和对应性的变频器的输出信号信息，实现对多电机驱动输送机系统运行带速的智能调整。
        3.3上位机设计
        根据下位机传输的模拟量信号，上位机实现对带式输送机运输系统的监控。本文上位机主要采用MATLAB、IFIX软件，MATLAB软件实现数据处理，IFIX软件对运输系统的运行参数进行监控。当系统开始运转时，IFIX软件开始对系统的运载量、带速、烟雾、故障灯运行状态进行监控。根据变频器的频率输出，系统控制电机的转速，实现选煤厂带式输送机的安全节能运行。
        3.4智能控制效果分析
        为了对该智能控制系统的控制效果进行分析，本文对井下长距离带式输送机进行改造，对不同控制情况下的实际运行状态进行调整。通过实际验证，在前10d采用传统控制方案，输送机在每天8h内的平均耗电量为14400度，输送机的平均运行带速为4.5m/s，在第10~20天采用新的智能控制方案，输送机在每天8h内的平均耗电量约为11300度，比优化前降低了21.5%，输送机运行时的平均带速约为4.08m/s，比优化前降低了约9.3%。同时在采用传统控制方案情况下，输送机在运行过程中出现了4次驱动电机功率分配不平衡导致的输送带抖动和撒料情况，采用优化后的控制方案后，未出现功率分配不平衡导致的运行故障，输送机系统的运行稳定性得到了显著提升。
        结语
        综合上述，煤矿带式输送机的智能控制主要针对的是装料率为稳定值或者随时间变化呈现稳定变化趋势的情况，在适当的范围内，输送机的运行速度应越慢越好，在确保输送机调速方便的同时提高了设备的利用率。应用超声波技术对输送机的运行速度进行计算，使其与物料量相匹配。该方法简单易操作，且对物料量的计算实现了高精度要求。采用加速度形式下的动态时间间隔调速方法对带式输送机的速度进行调节，设备速度可随煤流量的变化稳定地过渡，且处于满载运行状态，在高效运行的同时达到了节能的目的。
参考文献
[1]赵建军.变频跟踪调速带式输送机PLC模糊控制系统设计[J].中国矿业，2020，29（3）：100-104.
[2]李圈圈.某矿带式输送机配煤监测控制系统的优化研究[J].机械管理开发，2019，34（7）：243-244.
[3]芦国宏.综采工作面带式输送机节能调速策略的设计[J].机械管理开发，2020，35（1）：178-179.