CN107539750A - 带式输送机节能控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带式输送机节能控制装置，本发明涉及可编程控制技术、计算机控制技术、现代传感器技术。带式输送机设计过程中需要考虑过载情况，因此选择驱动电机时通常会保留足够的功率裕量。在实际生产中，带式输送机大多数情况下很难达到满载状态，容易出现“大马拉小车”现象。在轻载或空载状态下皮带仍维持较高运行速度，不但增加了设备的机械磨损，而且浪费了大量电能。针对目前带式输送机控制系统中存在的问题，本发明装置以五阳煤矿主斜井带式输送机运输系统为背景，发明了一套矿井带式输送机节能控制装置，本装置可根据煤流量大小调节皮带运行速度，达到节能运行的目的。
Description
技术领域
本发明涉及可编程控制技术、计算机控制技术、现代传感器技术，尤其是涉及到带式输送机节能与控制技术。
背景技术
带式输送机是煤矿生产的主要运输设备，更是耗能大户，确保其安全、可靠、节能、高效运行，对整个矿井的高效生产有着重要意义。在煤矿运输系统中，带式输送机在设计时由于要考虑生产过程中出现的过载情况，在选择驱动电机时通常都会保留足够的功率裕量，而在实际生产中，带式输送机大多数情况下很难达到满载状态，容易出现“大马拉小车”的现象。此外，由于煤仓的给煤量受采掘工作面采掘量的影响，带式输送机实际运输量也难以达到稳定状态，随给煤量的大小在满载、轻载和空载状态之间变化。当输送量减小时，带式输送机仍维持较高的运行速度，不但增加了设备的磨损，而且也浪费了大量的电能。相关研究表明，在煤矿生产中大多数带式输送机实际功率一般只维持在额定功率40％-60％之间，由此造成的能量损耗十分严重，无形中增加了煤矿生产成本，效益难以提升。
变频器已广泛应用于煤矿各类电气设备的拖动系统，变频器具有优良的拖动与调控性能，能够显著地提高负载的功率因数，具有节能减耗的作用。在国内大型煤矿中，对于中长距离的带式输送机运输系统一般均配备大功率的变频器，保证设备启动的平稳性，有助于延长设备的使用寿命。在带式输送机通过变频器启动后，控制系统输出恒定的频率值，而生产中煤流量是时刻在变化的，皮带运行速度不能与给煤量进行有效协调控制，未能充分发挥变频器变频调速功能，变频器仅仅充当了软启动器作用，单纯依靠变频器自身性能节能有限，造成设备的利用率低下。
随着煤炭产业不断转型升级，传统的短距离、低转速、小运量由单机驱动的带式输送机已无法满足煤矿的运输需求，未来带式输送机的发展趋势也主要集中在长距离、高带速、大运量、大功率等方向，对于带式输送机节能设计显得尤为重要。现阶段带式输送机大多数以恒速运行为主，其速度无法随运输量进行有效的调节，在带式输送机轻载或接近空载运行时，使得电机运行的效率很低。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，结合五阳煤矿主斜井带式输送机，本发明提供了一种带式输送机节能控制装置。
所述五阳煤矿主斜井带式输送机，由三台异步电动机拖动，配置三台西门子6ES71变频器，皮带可以通过调节变频器输出电压和频率的大小实现调速。带式输送机运行时，需要对皮带运行速度、煤流量和耗电量进行准确的监测和记录，并对获取的数据进行优化分析，得出控制系统的最佳运行状态。
皮带的运行速度可以通过速度传感器进行采集，煤流量可以通过电子皮带秤实时监测，系统运行时的电流和功率等数据可以通过功率采集模块获取，根据收集的数据进行综合分析，最终由PLC控制变频器的输出，使带式输送机处于最佳运行状态，从而实现节能运行。
如图2所示，本发明装置主要包括上位机、PLC控制器、变频器、电机及相关传感器设备。系统主回路由三台配电柜输出660V交流电源，频率恒为50Hz，连接三台变频器来驱动三台电动机。在控制回路，PLC控制器为控制系统的核心，PLC控制器与上位机通过工业以太网建立通讯连接，与变频器通过PROFIBUS通讯协议实现实时通讯。系统运行时，上位机向PLC控制器发送指令，PLC控制器通过控制变频器的输出频率和电压来实现对电动机的控制。传感器可以实时获取带式输送机的运行参数，并将数据传送给PLC控制器，PLC控制器将采集的数据进行分析处理后发送给上位机系统，操作人员可以通过上位机可视化界面实时了解带式输送机的运行状态，包括皮带的运行速度、电机的电流、煤流量等相关数据以及带式输送机各项保护的状态。此外，上位机可以记录带式输送机运行的各项历史数据，供相关操作人员查看和记录。传统带式输送机启动后都是以恒速运行，在煤流量减小时，不仅容易出现“大马拉小车”现象，浪费大量的电能，还加速了带式输送机的机械磨损。为了实现带式输送机节能运行，皮带运行速度需要根据煤流量大小进行控制，在不影响煤矿生产的情况下，尽最大程度减小能量损耗。
本发明装置的功能主要包括以下几个部分：1、节能运行，即控制系统可以根据皮带煤流量的大小调节皮带的运行速度，使得带式输送机的功率损耗降到最低，实现节能运行；2、智能控制，基于PLC的模糊控制器，可以对带式输送机运行速度进行智能控制；3、保护功能，可以实时监测带式输送机各项保护状态，包含跑偏保护、堆煤保护、撕裂保护、烟雾保护、温度保护、防滑保护、拉绳急停保护等，在带式输送机出现异常时，控制系统发出报警信号必要时停车；4、实时监测，操作人员可以通过上位机实时监测带式输送机的各种参数，如皮带运行速度、煤流量、电机电流、系统功率、皮带各项保护状态、皮带停车原因、通讯状态等；5、报表管理，利用上位机记录带式输送机运行的速度、电机电流、系统消耗的功率等各项数据，并保存在数据库中，操作人员可以通过上位机查询历史数据记录，方便生产和管理。
附图说明
图1是本发明装置的硬件结构图；
图2是本发明装置的系统结构图；
图3是变频器外接主电路图；
图4是变频器控制电路图；
图5是电子皮带秤信号传输路径图；
图6是EDA9033A端子接线图；
图7是带式输送机模糊控制系统原理图；
图8是本发明装置的上位机软件结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明装置的PLC控制系统，包括18个数字量输入，2个数字量输出，3个模拟量输入。
所述18个数字量输入包括：在工作时，需要监测配电柜是否已经上电，三台变频器分别对应三个配电柜，分别为“1#电源”、“2#电源”和“3#电源”，共3个数字量输入点；带式输送机在开车时需要监测盘式制动器是否打开，故需要一个“制动闸状态”返回信号，为1个数字量输入点；根据煤矿生产要求，控制系统运行方式分为三种：“集控”、“检修”和“就地”，通过“三位选择开关”实现，对应3个数字量输入点；在“集控”模式下，带式输送机的运行由上位机进行控制，在“检修”模式下，带式输送机无法启动，在“就地”模式下，带式输送机由就地操作台按钮进行控制，包括“打点”、“启动”、“停止”、“急停”四个按钮，对应4个数字量输入点；为了实现安全运行，带式输送机配备各项保护，主要包括“防堆煤保护”、“防撕裂保护”、“防烟雾保护”、“防滑保护”、“防跑偏保护”、“拉绳保护”和“温度保护”，其中“防堆煤保护”、“防撕裂保护”、“防烟雾保护”、“防滑保护”、“防跑偏保护”和“拉绳保护”传感器输入PLC为数字量，共计6个数字量输入点；带式输送机运行速度通过速度传感器进行采集，速度传感器选用接近开关，皮带运行时会使安装于滚筒边缘的永久磁铁旋转，引起接近开关中霍尔元件输出电压的变化，统计单位时间内得到的脉冲数，根据滚筒的直径和磁铁的个数便可以计算出皮带的速度，“速度”为1个数字量输入点。
所述2个数字量输出包括:带式输送机在开车和运行时，安装于驱动滚筒的盘式制动器需要保持开启状态，制动器由交流接触器控制，PLC可以通过控制24V直流继电器的通断间接实现对交流接触器的控制，“制动闸控制”为一个数字量输出点；皮带在开车时需要打点预警，PLC通过一个数字量输出点来控制继电器实现“打点控制”。“打点控制”为另一个数字量输出点。
所述3个数字量输入包括：带式输送机“温度保护”传感器输入PLC为4～20mA的电流信号，实时监测三台电动机的温度，防止电机过热发生故障，“1#电机温度”、“2#电机温度”和“3#电机温度”为3个模拟量输入点。
根据PLC控制需求，CPU选用西门子S7-1200系列中1214C DC/DC/DC控制器，自带14点数字输入、10点数字量输出和2点模拟输入。
电源选用PM1207模块，为控制系统提供稳定的24V直流电源，电源模块主要用于CPU及扩展模块的供电，PM1207模块专为西门子S7-1200设计，输入120/230V交流电压，输出稳定的24V直流电压。
数字量I/O模块选用SM1221 DI8×24V DC，数字量输入模块可处理自动化系统中数字量输入任务，数字量输入模块连传感器或其他设备，接收现场的输入信号，并将其传输给CPU控制器，输入模块按电压等级可分为DC5V、DC12V、DC24V、DC48V、DC60V、AC115V和AC220V。所选的数字量输入模块SM1221 DI8×24V DC，支持8点数字量输入，且输入额定电压为DC24V。
模拟量输入模块选用SM1231 AI4×13bit，13bit表示分辨率为12位+符号位。该模块输入可选 2.5V、 5V和 10V电压，电压输入电阻 9 ，或0～20mA电流，电流输入电阻为250。该模块含中断与诊断功能，可监视断线故障和电源电压，满量程输入对应数据字为-27648～27648。
通信模块选用CM1243-5和CM1241(RS422/485)，CM1243-5模块支持PROFIBUS通信，实现与西门子6ES71变频器的通讯；CM1241(RS422/485)模块可实现点对点通信，支持PROFIBUS通信协议，可与功率采集模块和电子皮带秤分机建立通讯。
所述通信模块CM1243-5可将西门子S7-1200连接到PROFIBUS并以此作为 DP 主站，最多可支持16个PROFIBUS DP从站，支持从9.6Kbit/s到12Mbit/s的所有标准通信速率，可基于S7通信与其他S7控制器进行通信，通过PROFIBUS接口可将操作员面板和编程设备连接到S7-1200。
所述通讯模块CM1241(RS422/485)支持点对点（PtP）串行通信，执行的协议包含ASCII、USS 驱动协议和Modbus RTU，支持9针D-sub插座，可通过扩展指令和库功能完成组态和编程。
将I/O地址分配后，CPU1214C DC/DC/DC模块对应的数字量输入地址为I0.0～I1.7，数字量输出地址为Q0.0～Q0.7，模拟量输入地址为AI64～AI66；SM1221 DI8×24V DC数字量输入模块对应的数字量输入地址为I2.0～I2.7；SM1231 AI4×13bit模拟量输入模块对应的模拟量输入地址为AI112～AI118。
本发明装置搭配3台西门子6ES71变频器，订货号为6SE7138-6HG62-3BA0，其额定功率为800KW，输入电压支持660V～690V，输出额定电流为860A，基本负载电流为783A，短时间内允许最大电流为1170A。
所述6ES71变频器所配置的SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制功能强大，可搭载“CUVC”模板、“CBP2”与“CBC”通讯模块、“T400” 模块、“SLB”模板、“EB1”与“EB2”模板来扩展自身功能。
所述SIMOVERT MASTERDRIVES搭载“CUVC”模板，可以处理与电机相关的各项控制任务，控制性能优良，是变频器控制系统的核心；“CBP2”与“CBC”是两个通讯模块，“CBP2”模块用于支持PROFIBUS-DP通讯，“CBC”模块用于支持CAN总线通讯，“CBP2”与“CBC”通讯模块为变频器提供了开放式通讯连接；“T400”是一种工艺类模块，可以实现角同步控制、剪切等功能控制，一般用于造纸机、轧钢等对转速和转矩控制精度要求较高的行业。“SLB”模板用于数据的传送，实现各传动间数数据信息的快速交换。“EB1”与“EB2”可以扩展SIMOVERTMASTERDRIVES的I/O数量，增强变频器的功能。
图3为变频器外接电路图，五阳煤矿主斜井带式输送机运输系统配备三台6ES71变频器，每台变频器驱动一台异步交流电动机，编号为“1#”、“2#”和“3#”。变频器输入电源由配电柜内断路器进行控制，电动机的启停与调速由变频器来控制。
图4为变频器控制电路图，ROFIBUS-DP现场总线是一种数字化通讯技术，可以实现“一对多”通信，通讯介质采用双层屏蔽电缆，具有组网方便、抗干扰能力强、可靠性好等优点，被广泛应用于各类复杂工业现场通信。6ES71变频器搭载“CBP2”通讯模块，可以支持PROFIBUS-DP通讯，可以实现与PLC的通信。6ES71变频器采用PROFIBUS-DP总线控制，PROFIBUS-DP通讯采用主从方式，PLC作为PROFIBUS-DP主站，通讯地址设置为“1”，三台变频器均作为PROFIBUS-DP从站，通讯地址设为“2”、“3”、“4”，通过PLC编程软件可以完成通讯的配置，建立PLC与三台变频器的通信连接，实现对变频器的控制及运行状态的监视。
煤流量的监测是带式输送机调速运行的基础，目前，煤流量的监测主要通过皮带秤实现，而皮带秤根据测量方式主要分为电子皮带秤、核子皮带秤、激光皮带秤和超声波皮带秤。本发明装置选用ICS-ST矿用电子皮带秤，具有安全性高、可靠性好、测量精度高等优点，其动态累计误差在±0.25%～1.0%。
所述电子皮带秤主要由秤架、称重传感器、测速传感器和智能采集模块组成，秤架是称重传感器和测速传感器安装的载体，称重传感器将物料的重量信号转变成电量信号，测速传感器获取物料运行的速度，最后通过智能采集模块进行数据处理计算，得到物料的瞬时流量和累计运量。
所述ICS-ST矿用电子皮带秤采用隔爆兼本质安全电源和本安称重传感器，可用于煤矿井下煤流量的监测。煤流量在20%～100%变化时，动态误差一般不高于±0.25%～1.0%，皮带速度要求0.1m/s～5m/s，称重范围支持10t/h~10000t/h，电源电压支持AC85V~265V 50Hz。
所述电子皮带秤安装于带式输送机机尾附近，数显分机安装于矿用皮带秤附近，通过485通讯传输到地面的PLC控制器。图5为电子皮带秤信号的传输路径图，由于通讯距离较长，可以通过增加485中继器延长485通讯的距离，保证通讯稳定和可靠。
带式输送机在运行时的功率消耗可通过三相功率采集模块来监测，在本发明装置中选用电压量程（相电压）10～500V且电流量程1～1000A等级的EDA9033A模块。对于三相三线制交流电路，EDA9033A模块可通过三表法来测量三相电压、三相电流、有功功率和功率因数等数据，支持RS232和RS485通讯接口，可通过十六进制LC-01协议、ASCII码协议和MODBUS-RTU三种通讯协议进行传输，是一种智能三相电参数数据综合采集模块，已广泛应用于各类电力监控系统与工业控制系统。
图6为EDA9033A端子接线图，EDA9033A模块测量带式输送机功率消耗采用三相三线制接法，接在变频器输入侧，变频器输入线电压为660V，相电压为380V，变频器三相输入直接与模块的“Ua”、“Ub”和“Uc”端子相连接，可以实现对变频器输入相电压的监测。变频器的输入电流通过互感器转换后再穿入EDA9033A模块互感器线圈，实现对变频器输入电流的监测，对于有功功率、功率因数等电参数则需要EDA9033A模块进行数据处理后通过RS485输出。
本发明装置配备的井下带式输送机还需要安装综合保护传感器，综合保护一般包括防堆煤保护、防撕裂保护、防烟雾保护、防滑保护、防跑偏保护、拉绳保护和温度保护，各项保护信号通过相应的传感器获取，PLC控制器实时采集各项保护传感器的状态，在产生保护动作时及时发出报警信号，必要时控制带式输送机停车，保证带式输送机的安全运行。
图7为带式输送机模糊控制系统原理图，设计了基于PLC的模糊控制器，根据电子皮带秤采集的煤流量信息给定皮带速度，假设某段时间煤流量在[,]区间内变化，此时对应的皮带给定速度为，速度传感器获取皮带实际运行速度，通过基于PLC的模糊控制器将输入信号进行处理，得到了速度的偏差和偏差变化率。速度偏差和偏差变化率输入基于PLC的模糊控制器，经过基于PLC的模糊控制器的分析计算后，输出变频器设定频率信号。通过基于PLC的模糊控制器将控制信号输入到变频器控制器，通过变频器调节电动机的频率和电压信号，从而实现对带式输送机运行速度的控制。
本发明装置的上位机软件选用WinCC7.3组态软件，WinCC是西门子公司开发的一款卓越的监测控制与数据采集系统，主要由图形系统、通讯和变量管理、消息/报警系统、变量归档系统、报表系统、脚本/编程系统、用户管理系统和文本库等组成。WinCC组态软件内置西门子S7-1200 PLC通讯驱动，拥有高性能的可视化界面，具有强大的网络管理能力，具备企业级的数据归档系统。
上位机不仅可以对带式输送机启、停和变频调速运行实现远程控制，还可以对其运行状态实现监测。上位机与PLC建立通讯后，可以实时获取带式输送机煤流量、皮带运行速度、变频器输出频率与电压、电机电流、系统总功率及带式输送机综合保护状态，同时兼有报警、数据查询、报表打印等功能。
上位机与PLC控制器通过工业以太网建立通讯后，通过上位机可以向PLC发送控制命令，实现对带式输送机的远程控制；同时上位机还可以监控带式输送机运行状态，并通过可视化界面将其显示在控制屏幕上，操作人员可更加直观地了解带式输送机的运行状况。
图8为上位机软件的结构图，主要包括系统管理、界面显示和数据管理三大部分。
所述的系统管理是上位机软件设计中重要组成部分，包括用户管理和值班管理。
所述用户管理依据用户的需求将不同用户名设置成多个安全等级，提高软件操作的安全性。
所述值班管理可保存操作人员值班时间和操作记录，方便管理。
所述监控界面可提供人机交互界面，通过监控界面可以更加直观地展示带式输送机运行状况。监控界面主要包括系统运行参数、综合保护状态和趋势曲线。
所述系统运行参数主要包含带式输送机煤流量、皮带运行速度、变频器输出频率与电压和系统总功率等，通过上位机显示在监控界面上。
所述综合保护状态用于监视带式输送机各项保护装置的状态，包含跑偏保护、堆煤保护、撕裂保护、烟雾保护、温度保护、防滑保护、拉绳急停保护等。
所述趋势曲线可显示带式输送机各项参数随时间的变化关系，更加清晰直观地显示带式输送机的运行状态。
所述数据管理可实现生产中各类过程数据的存储和归档，主要包括数据归档、数据查询、故障记录。
所述数据归档是指上位机将采集的数据通过其变量归档系统进行压缩归档，节省数据存储所需空间；
所述数据查询是指历史记录查询，可对过去任意时刻系统运行记录及相关数据进行查询。
所述故障记录主要是记录系统在运行中发生故障的时间和类型，便于后期设备的检修与维护。
Claims (6)
1.一种带式输送机节能控制装置，本发明涉及可编程控制技术、计算机控制技术、现代传感器技术，本装置主要包括上位机、PLC控制器、变频器、电机及相关传感器设备。
2.根据权利要求1所述的带式输送机节能控制装置，其特征在于，所述的带式输送机节能控制装置可以实现节能运行，根据皮带煤流量的大小调节皮带的运行速度，使得带式输送机的功率损耗降到最低，实现节能运行。
3.根据权利要求1所述的带式输送机节能控制装置，其特征在于，所述的带式输送机节能控制装置基于PLC的模糊控制器，可以对带式输送机运行速度进行智能控制。
4.根据权利要求1所述的带式输送机节能控制装置，其特征在于，所述的带式输送机节能控制装置可以实现保护功能，可以实时监测带式输送机各项保护状态，在带式输送机出现异常时，控制系统发出报警信号必要时停车。
5.根据权利要求1所述的带式输送机节能控制装置，其特征在于，所述的带式输送机节能控制装置可以进行实时监测。
6.根据权利要求1所述的带式输送机节能控制装置，其特征在于，所述的带式输送机节能控制装置可以实现报表管理，利用上位机记录带式输送机运行的速度、电机电流、系统消耗的功率等各项数据，并保存在数据库中。
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