皮帶運輸效率優(yōu)化方案設計研究

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了皮帶運輸效率優(yōu)化方案設計研究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

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、變頻調速技術、傳感技術和通信技術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，降低了生產成本，適合推廣應用。

關鍵詞：礦井現(xiàn)代化；PLC；變頻調速；運輸效率優(yōu)化

引言

帶式運輸機在煤礦生產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)代變頻調速技術、智能控制技術、通信技術的發(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速技術、PLC、智能控制技術的皮帶運輸系統(tǒng)，結合煤礦運輸?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動，而液力耦合器無法解決多電機驅動轉矩不平衡問題。傳統(tǒng)帶式輸送機采用恒速運行，經常出現(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

變頻調速技術目前已經相當成熟，用在皮帶運輸系統(tǒng)上具有很多優(yōu)勢。該技術可以更好地實現(xiàn)皮帶機軟啟動，降低皮帶強度，實現(xiàn)多電機驅動的轉矩平衡問題；同時由于具有調速功能，基于智能控制技術，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，將變頻調速技術應用于皮帶運輸系統(tǒng)中，聯(lián)合傳感器技術、智能控制技術，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節(jié)電機轉速。

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絡擴展能力，支持PLC多種網絡通信。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速，更好地實現(xiàn)電機軟啟動和停止，減弱對電網的沖擊，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，繼而調節(jié)電機的轉速，使其勻速、高速、低速運行，實現(xiàn)智能調速和智能化運輸。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。變頻器結構如圖2所示。對于變頻器變頻調速技術，變頻方式有很多，本文的AC-DC-AC型變頻器采用的調壓調頻方式為二極管整流和PWM逆變器調壓調頻方式。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換為頻率電壓可調的AC輸出信號，近而對皮帶輸送機實現(xiàn)智能調速。

3.3電機轉速檢測電路

本文皮帶傳輸系統(tǒng)引入了變頻調速技術，因此系統(tǒng)電機的轉速檢測與調節(jié)尤為關鍵。目前電機轉速檢測采用測速儀，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過轉換得到電機實時轉速。在PLC定時器中將電機實測轉速n轉化為技術算法，把結果顯示在上位機監(jiān)控軟件和LCD顯示屏上，聯(lián)合智能控制技術，實時調節(jié)電動機達到最佳轉速，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，電機轉軸開始轉動時，磁鐵從霍爾傳感器背面經過，脈沖信號通過放大整形電路轉換。電路圖中電阻為上拉電阻，轉軸轉動磁鐵通過時，電阻前面的引腳從0V變?yōu)?V，后端的三極管輸出脈沖波形，波形的頻率經過公式換算即為轉速大小。

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、調速子程序設計、中斷程序設計、故障程序設計等。在調速子程序中，本文采用了模糊控制智能技術，通過PLC設計相關算法，可以根據(jù)皮帶上面煤量的負重來智能調節(jié)電動機的轉速，提高皮帶運輸系統(tǒng)的壽命。總程序流程如圖5所示。

5結束語

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、變頻調速技術、傳感技術和有線通信技術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構圖，電機轉速檢測電路設計，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)中變頻調速技術的應用探究［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)能技術研究［D］.西安：西安科技大學，2010.

［3］王惠杰.基于變頻調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)能調速控制系統(tǒng)關鍵技術研究［D］.北京：中國地質大學，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