高 昆

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)公司選煤廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

對于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)除了保證安全性，也要考慮輸送效率及能耗，由于露天煤炭開采、上煤環(huán)節(jié)和原煤輸送系統(tǒng)存在不連續(xù)的原因，傳統(tǒng)的皮帶輸送系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備空轉(zhuǎn)和低效運(yùn)行的情況，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。隨著科技的日益發(fā)展，智能化選煤廠建設(shè)逐步開始實(shí)施，膠帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的自動化應(yīng)用成為企業(yè)高效發(fā)展的迫切需求。目前永磁變頻直驅(qū)技術(shù)也已經(jīng)在化工運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛實(shí)施，比傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)更加節(jié)能，壽命更長，自動調(diào)速方面更有優(yōu)勢，加之傳感器和PLC 控制系統(tǒng)的支撐，可以實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)智能輸送，實(shí)現(xiàn)原煤輸送系統(tǒng)的高效率運(yùn)行和節(jié)能降耗，從而達(dá)到減人增效、提高原煤輸送安全程度的目的，該系統(tǒng)的應(yīng)用同時(shí)也能優(yōu)化人機(jī)管理方式，更便捷地方便管理者掌握生產(chǎn)情況，有利于管理者做出分析決策。

1 原煤智能皮帶輸送系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 智能皮帶輸送系統(tǒng)組成

智能皮帶輸送系統(tǒng)主要由集中控制系統(tǒng)、永磁變頻驅(qū)動系統(tǒng)、物料檢測等傳感器組成，它可實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶的智能調(diào)速、故障預(yù)警、動態(tài)展示等功能。皮帶智能輸送系統(tǒng)的驅(qū)動部分采用永磁變頻驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的變頻調(diào)速功能，而非傳統(tǒng)異步電機(jī)的恒定工頻運(yùn)行方式，皮帶機(jī)的各類傳感器主要是對皮帶輸送原煤過程中的受料斗和皮帶上的物料情況、皮帶運(yùn)行頻率和其他電氣參數(shù)、破碎站運(yùn)行方式等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過集中控制系統(tǒng)進(jìn)行智能判斷，做出相應(yīng)的執(zhí)行操作。本系統(tǒng)是對傳統(tǒng)的皮帶輸送系統(tǒng)的各個部分進(jìn)行硬件和軟件的升級，改造了驅(qū)動部分，增加各類的傳感器，對整個系統(tǒng)的自動控制部分進(jìn)行軟件升級，編程優(yōu)化，改變了皮帶輸送的現(xiàn)有的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送系統(tǒng)的智能調(diào)速、故障預(yù)警等功能。

皮帶智能輸送系統(tǒng)根據(jù)硬件組成及系統(tǒng)功能可分為管理層、控制層、設(shè)備層和檢測層4 層網(wǎng)絡(luò)體系（圖1）。

圖1 皮帶智能輸送系統(tǒng)

（1）管理層：調(diào)度集中控制平臺基于美國通用IFIX 組態(tài)軟件，將皮帶機(jī)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場傳感器傳回的各類數(shù)據(jù)存入共享數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)通過下位機(jī)軟件和組態(tài)軟件的轉(zhuǎn)換編輯，以易讀、可視化的圖形形式展示于畫面上，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作執(zhí)行任務(wù)，配合PLC 可編程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的自動化運(yùn)行。

（2）控制層：包含PLC 主站和各個PLC 分站系統(tǒng)，該層核心部分為PLC 主站，它是整個系統(tǒng)的“大腦”，PLC 主從站通過以太網(wǎng)的通信方式，不僅負(fù)責(zé)與皮帶機(jī)的各個分站數(shù)據(jù)交互傳輸、邏輯運(yùn)算、執(zhí)行指令、上下級閉鎖和故障聯(lián)動等功能，同時(shí)負(fù)責(zé)與上位機(jī)組態(tài)畫面的數(shù)據(jù)共享，操作執(zhí)行、監(jiān)控顯示等功能的實(shí)現(xiàn)。各個分站負(fù)責(zé)單套永磁變頻皮帶機(jī)系統(tǒng)的自動化控制，可實(shí)現(xiàn)單套皮帶機(jī)系統(tǒng)的啟?？刂啤⒅悄苷{(diào)速、故障預(yù)警等功能。該層主要工作是負(fù)責(zé)對現(xiàn)場所有數(shù)據(jù)的采集、邏輯運(yùn)算和指令執(zhí)行，并將整個系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。

（3）設(shè)備層：該層是由各個永磁變頻驅(qū)動設(shè)備組成的，為了能進(jìn)行皮帶的智能調(diào)速，對傳統(tǒng)的皮帶機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，傳統(tǒng)皮帶驅(qū)動由異步電機(jī)、偶合器、減速機(jī)、滾筒組成，且由于異步電機(jī)的運(yùn)行特性，該驅(qū)動系統(tǒng)只能進(jìn)行工頻運(yùn)行，皮帶機(jī)以固定速度運(yùn)行，膠帶機(jī)無法智能調(diào)速，設(shè)備損耗及系統(tǒng)電耗較大。采用永磁變頻驅(qū)動，不僅可以進(jìn)行變頻調(diào)速，而且節(jié)能效果突出，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率有了很大的提升。該層主要負(fù)責(zé)各個皮帶機(jī)的驅(qū)動和調(diào)速，并將本設(shè)備層上的運(yùn)行數(shù)據(jù)納入各個PLC 分站系統(tǒng)，交由控制層處理，同時(shí)將所有設(shè)備的實(shí)時(shí)的電流、電壓、溫度、頻率等數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給管理層。

（4）監(jiān)測層：該層包含參與智能調(diào)速的各類傳感器，破碎站受料斗處安裝的雷達(dá)料位計(jì)，負(fù)責(zé)對受料斗中的料位情況實(shí)時(shí)監(jiān)測，輸出4～20 mA 電流信號；物位傳感器安裝于皮帶機(jī)頭尾兩端，負(fù)責(zé)檢測皮帶上料位情況，輸出開關(guān)量信號；電子皮帶秤安裝于破碎站出口的第一級皮帶機(jī)尾，負(fù)責(zé)檢測皮帶瞬時(shí)量，輸出為每小時(shí)噸煤量。微波料位開關(guān)負(fù)責(zé)檢測上下級皮帶溜槽堵煤情況，一旦上下級皮帶不同速度時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號并及時(shí)停車，保證輸煤系統(tǒng)的安全運(yùn)行。傳感器監(jiān)測到的各類數(shù)據(jù)均傳至控制層處理。

1.2 智能皮帶輸送系統(tǒng)的工作原理

智能皮帶輸送機(jī)以智能調(diào)速為目的，現(xiàn)場各類傳感器收集到的數(shù)據(jù)與永磁變頻器運(yùn)行時(shí)電氣參數(shù)（如電壓、電流、給定頻率、反饋頻率等）通過PLC 主從通信方式進(jìn)行傳輸，反饋給下位機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、輸出執(zhí)行。傳統(tǒng)皮帶輸送系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：露天礦運(yùn)煤大車將原煤倒入破碎站受料斗，受料斗下方裝有板式給料機(jī)，板式給料機(jī)以恒定速度將原煤輸送至破碎機(jī)進(jìn)行破碎處理，破碎后的原煤進(jìn)入地面皮帶，地面皮帶為多級皮帶，最終進(jìn)入儲煤倉，地面皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動后，一直以恒定的頻率運(yùn)行，無論破碎站受料斗與皮帶上的物料是否供應(yīng)充足，整個皮帶輸送系統(tǒng)一直恒定速度運(yùn)行。由于露天礦大車在運(yùn)輸過程中經(jīng)常出現(xiàn)不連續(xù)工作情況，皮帶斷料或低量運(yùn)行的情況經(jīng)常出現(xiàn)，皮帶空轉(zhuǎn)時(shí)間每天約1 h 左右，系統(tǒng)的空轉(zhuǎn)率高，對生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大的制約，同時(shí)設(shè)備損耗和系統(tǒng)電耗也相對增加。因此智能皮帶輸送系統(tǒng)能很好的解決傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)的各類問題。

智能皮帶輸送系統(tǒng)工作原理：露天礦大車供應(yīng)正常且上煤連續(xù)時(shí)，破碎站鏈?zhǔn)焦伟鍣C(jī)及下游皮帶系統(tǒng)均以恒定速度運(yùn)行，當(dāng)破碎站的大車上煤不連續(xù)時(shí)，位于受料斗處的雷達(dá)料位計(jì)檢測到受料斗料位位于低位，PLC 程序通過邏輯判斷，首先將鏈?zhǔn)焦伟鍣C(jī)的速度降為0，接著位于一級皮帶機(jī)尾上的電子皮帶稱的瞬時(shí)煤量降為最低，當(dāng)斷料點(diǎn)傳輸至機(jī)頭時(shí)，位于機(jī)頭的物位傳感器輸出無料信號，此時(shí)PLC 程序邏輯判斷輸出一級皮帶具備低速運(yùn)行信號，一級皮帶的永磁變頻器接收到降速指令，一級皮帶降至最低速運(yùn)行。同理，二級、三級等下游皮帶以同樣方式控制皮帶低速運(yùn)行。當(dāng)破碎站開始供料時(shí)，所有皮帶輸送機(jī)恢復(fù)至正常轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)加速順序?yàn)槟婷毫黜樞颍苑涝斐啥铝稀?/p>

2 智能輸送系統(tǒng)功能

該控制系統(tǒng)通過變頻器及傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的智能調(diào)速。同時(shí)該控制系統(tǒng)通過PLC 及上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)，調(diào)度平臺畫面可實(shí)時(shí)顯示皮帶機(jī)工作現(xiàn)場環(huán)境、帶速、軸溫等重要參數(shù)的變化。本控制系統(tǒng)有如下5 種主要功能:

2.1 智能調(diào)速功能

輸送系統(tǒng)的驅(qū)動采用永磁變頻驅(qū)動，由于變頻器的調(diào)速功能，使得皮帶轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)0～4.5 m/s 線性變化，在自動控制的情形下，皮帶速度據(jù)皮帶和破碎站受料斗的物料情況降為0 m/s，恢復(fù)供料，從0～4.5 m/s 逐漸加速。在手動控制情況下，檢修工可根據(jù)實(shí)際情況（如更換皮帶、動態(tài)檢查滾筒等），將皮帶速度調(diào)節(jié)至任意速度（0～4.5 m/s），更方便實(shí)現(xiàn)檢修。同時(shí)該調(diào)節(jié)功能有遠(yuǎn)程和就地兩種方式：遠(yuǎn)程方式下，集控員配合遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備和物料傳感器通過上位機(jī)畫面進(jìn)行調(diào)節(jié)；本地控制方式下，檢修工通過就地控制箱進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 節(jié)能降耗功能

該輸煤驅(qū)動系統(tǒng)具有節(jié)能降耗的功能，表現(xiàn)在兩個方面，一方面采用永磁變頻電機(jī)的驅(qū)動方式，較傳統(tǒng)的異步電機(jī)+液力偶合器+減速機(jī)的驅(qū)動方式來說，驅(qū)動連接方式更加簡單，無中間傳動環(huán)節(jié)，相對來說負(fù)載負(fù)荷量更小，使得設(shè)備的輸出效率更高，驅(qū)動系統(tǒng)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持94%以上的效率。同時(shí)由于永磁電機(jī)獨(dú)特的機(jī)械設(shè)計(jì)，使得變頻永磁同步電機(jī)功率因數(shù)可達(dá)0.96，傳統(tǒng)三相異步電機(jī)功率因數(shù)為0.75～0.95。另一方面，對輸煤皮帶智能調(diào)速控制的應(yīng)用，在卡車不連續(xù)供煤工況下，皮帶輸送機(jī)的空轉(zhuǎn)率大幅減少。另外，由于皮帶輸送機(jī)采用的永磁變頻驅(qū)動都為大功率高壓電機(jī)，設(shè)備耗電量和設(shè)備損耗也將大幅下降，設(shè)備低速運(yùn)行下的輸出功率與設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)的輸出功率比為1∶4，因此降低空轉(zhuǎn)率對于節(jié)約系統(tǒng)耗電量影響很大。同時(shí)永磁變頻系統(tǒng)對于多驅(qū)驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)功率精確自動平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率的嚴(yán)格對應(yīng)，使得多驅(qū)動間相互的制動能耗降到最低。

2.3 提高生產(chǎn)效率

生產(chǎn)效率指標(biāo)在原煤輸送中指的是單位時(shí)間的噸煤產(chǎn)量，在露天供煤不足或上煤不連續(xù)的情況下，經(jīng)常會造成皮帶輸送機(jī)無料空轉(zhuǎn)，小時(shí)噸煤量因?yàn)樵O(shè)備空轉(zhuǎn)而較低，通過系統(tǒng)無料自動降速，大大減少了系統(tǒng)皮帶的空轉(zhuǎn)時(shí)間，生產(chǎn)效率大幅提升。另外噸煤電耗對于選煤廠原煤輸送也是一個重要的生產(chǎn)指標(biāo)，設(shè)備低速運(yùn)行時(shí)耗電量處于較低水平，再加上永磁變頻驅(qū)動本身的低耗電性能，噸煤電耗指標(biāo)也保持在較低值。

2.4 連鎖預(yù)警功能

皮帶輸送機(jī)在智能調(diào)速過程中會出現(xiàn)上下級皮帶不同速情況，極易造成堵料事故，因此對各級皮帶的運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測尤為必要。該系統(tǒng)的控制層接受現(xiàn)場皮帶的實(shí)時(shí)速度并結(jié)合皮帶的料位情況，給出堵料預(yù)警信號，一旦出現(xiàn)堵料情況，及時(shí)報(bào)警停止上級皮帶，同時(shí)將報(bào)警信息呈現(xiàn)在調(diào)度集控畫面上，反映給集控操作員。同時(shí)集中控制系統(tǒng)可讀取各級皮帶的實(shí)時(shí)反饋頻率，通過PLC 程序比較和邏輯判斷，可智能對比上下級皮帶的輸出反饋頻率，報(bào)出差速報(bào)警，及時(shí)預(yù)警停車。

2.5 動態(tài)展示功能

調(diào)度集控平臺組態(tài)畫面將現(xiàn)場的皮帶輸送系統(tǒng)建立模型，現(xiàn)場傳回的各類信號經(jīng)過處理圖形化動態(tài)的顯示于模型中，可顯示皮帶永磁變頻驅(qū)動的運(yùn)行信號（電流、電壓、頻率、流量等），傳感器的實(shí)時(shí)信號（料位、瞬時(shí)煤量、物料信號等），系統(tǒng)運(yùn)行情況（啟停、連鎖、備妥等），還可顯示相關(guān)的故障信號（皮帶五保故障信號、低位報(bào)警、變頻器故障信號、失速報(bào)警等），同時(shí)故障信號還與現(xiàn)場視頻實(shí)現(xiàn)故障聯(lián)動，出現(xiàn)故障自動彈出故障點(diǎn)附近視頻。除此之外調(diào)度集控畫面還可對各項(xiàng)參數(shù)提供歷史數(shù)據(jù)查詢和歷史報(bào)警記錄、報(bào)警打印和數(shù)據(jù)打印功能。

3 結(jié)論

目前，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，行業(yè)內(nèi)自動化相關(guān)應(yīng)用也日漸成熟，智能化選煤廠的建設(shè)向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動化的方向邁進(jìn)。以上介紹了智能皮帶輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)組成與工作原理，智能輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，以施耐德PLC 控制系統(tǒng)為其控制層，結(jié)合設(shè)備和傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、工程模擬量、故障等呈現(xiàn)給管理層，方便集控操作人員執(zhí)行操作。調(diào)度集控平臺對系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)監(jiān)測和保護(hù)，很大程度上提高了現(xiàn)場的安全指數(shù)，同時(shí)自動監(jiān)測的傳感器等自動化產(chǎn)品的應(yīng)用也降低了人工成本和故障率。系統(tǒng)的低料降速功能大幅提高原煤輸送系統(tǒng)生產(chǎn)效率，一定程度上實(shí)現(xiàn)減員增效的目的，對于選煤廠企業(yè)高效發(fā)展起到了促進(jìn)作用。