帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃 偉

(山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 0471001)

0 引 言

煤礦企業(yè)中帶式輸送設(shè)備是電能消耗極大的一種設(shè)備。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)高能耗帶式輸送設(shè)備的運(yùn)行效率不足60%，和國外先進(jìn)水平存在非常大的差距。另外，帶式輸送設(shè)備控制主要是較為簡單及粗放型的控制方式，采用開環(huán)方式完成控制操作，在運(yùn)輸煤炭數(shù)量相對少或者空載情況下，帶式輸送設(shè)備依舊以高速率運(yùn)行，使得電能被大量浪費(fèi)，生產(chǎn)成本增加。因此，通過研究應(yīng)用帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)，降低設(shè)備能耗，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可有效的減少電力資源消耗數(shù)量，促進(jìn)企業(yè)和生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

1 帶式輸送設(shè)備控制系統(tǒng)問題

梨園河煤礦主井運(yùn)輸帶式輸送設(shè)備共設(shè)置有兩臺，目前控制系統(tǒng)為TKD控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)中邏輯控制由電磁裝置構(gòu)成，速率檢測是利用直流測速發(fā)電機(jī)裝置進(jìn)行測速，目前梨園河煤礦主井運(yùn)輸帶式輸送設(shè)備控制系統(tǒng)存在以下方面問題：

(1) 故障檢測可靠性較差。目前梨園河煤礦主井運(yùn)輸帶式輸送設(shè)備采用TKD控制系統(tǒng)，因自身元器件裝置特性，電控系統(tǒng)無法有效確保穩(wěn)定可靠運(yùn)行。要確保電器控制系統(tǒng)安全運(yùn)行，基本上全部系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)置相應(yīng)的電子裝置，達(dá)到后備保護(hù)目的。在安全回路發(fā)生動(dòng)作過程中，很多均屬于瞬時(shí)動(dòng)作，一旦發(fā)生故障不易有效排除[1]。

(2) 無法有效控制電機(jī)速率。目前對帶式輸送設(shè)備中實(shí)際運(yùn)輸煤量無法實(shí)時(shí)監(jiān)測，因此無法根據(jù)煤量變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)帶式輸送設(shè)備運(yùn)行速率，煤量和帶速無法有效匹配，整個(gè)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，導(dǎo)致電能大量浪費(fèi)。

2 節(jié)能控制系統(tǒng)核心裝置介紹

2.1 可編程控制裝置

在帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用中，最主要的是可編程控制裝置，該裝置是利用微型機(jī)芯片，依照具體生產(chǎn)流程及要求不斷改進(jìn)與完善的控制裝置?？删幊炭刂蒲b置具備非常優(yōu)良的抗干擾性能，在工業(yè)生產(chǎn)中適用性強(qiáng)，發(fā)生故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)以及故障智能診斷等，同時(shí)，帶式輸送設(shè)備中節(jié)能控制系統(tǒng)是利用功能化模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)建，具體應(yīng)用依照不同要求，對控制系統(tǒng)加以重新組合或擴(kuò)充?？删幊炭刂蒲b置有獨(dú)立編程器元件，整個(gè)編程過程簡單，便于學(xué)習(xí)掌握，成本較低?，F(xiàn)階段，我國研發(fā)的智能模塊PLC控制裝置，能實(shí)現(xiàn)順序控制與過程控制相互融合，確保對整個(gè)生產(chǎn)流程全面控制。功能進(jìn)一步優(yōu)化的PLC裝置，已經(jīng)廣泛的被應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之中。

2.2 核子秤裝置

核子秤主要應(yīng)用在物料傳輸環(huán)節(jié)計(jì)量中，通過非接觸式方式進(jìn)行物料計(jì)量。核子秤內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，包含有放射源部件、電離部件、電源部件以及下位機(jī)裝置等多個(gè)機(jī)構(gòu)。核子秤放射源部件發(fā)射的γ 射線，穿過輸送設(shè)備運(yùn)輸?shù)奈锪蠒r(shí)，其中部分射線被物料吸收，根據(jù)射線吸收情況，計(jì)算得到物料質(zhì)量。另外，核子秤能對不同時(shí)段內(nèi)射線開展實(shí)時(shí)監(jiān)測，將其和空載下射線的強(qiáng)度對比，同時(shí)還能測量輸送設(shè)備中皮帶運(yùn)行速率，借助計(jì)算機(jī)設(shè)備，可以分析輸送設(shè)備的單位載荷、瞬時(shí)流量以及累計(jì)量數(shù)據(jù)等信息。核子秤在稱量過程中采用的是非接觸式稱量方式，因此，稱量過程不受溫度、物料腐蝕性、輸送設(shè)備傾角值及皮帶張力等外在因素干擾，同時(shí)也不受測量物料自身物力性質(zhì)影響，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)測量，運(yùn)行性能穩(wěn)定，可靠度高，能被應(yīng)用在一些粉塵濃度高、露天環(huán)境等相對惡劣的條件下[2]。

3 節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由3臺不同的皮帶秤組成，其中1號皮帶秤設(shè)置在順槽輸送設(shè)備中，2號皮帶秤設(shè)置于西翼運(yùn)輸設(shè)備中，3號皮帶秤設(shè)置于主井運(yùn)輸設(shè)備中。核子秤把所測量到的物料流量數(shù)據(jù)信息，傳輸于所在皮帶設(shè)備對應(yīng)的PLC分站中，利用光纖把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC主站中，CPU裝置依照結(jié)合檢測數(shù)據(jù)對比分析數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，輸出4～20 mA調(diào)節(jié)信號，并將該信號輸送至輸送設(shè)備變頻器裝置中，以完成對皮帶輸送設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。

帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)的機(jī)電控制是關(guān)鍵，其對于皮帶輸送設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行效率及安全性均有極大影響。結(jié)合梨園河煤礦皮帶輸送系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情況，針對煤礦開采中不均衡問題，研討了皮帶輸送設(shè)備煤量、皮帶速率及皮帶輸送設(shè)備能耗間所存在的關(guān)聯(lián)性，利用機(jī)電控制技術(shù)構(gòu)建了節(jié)能、高效的皮帶輸送設(shè)備機(jī)電控制系統(tǒng)，系統(tǒng)核心部件為PLC部件，型號為Logix1756型，機(jī)電控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該機(jī)電控制系統(tǒng)含有上位機(jī)裝置、PLC裝置、變頻裝置、信號測試裝置、信息通信裝置等。

圖1 帶式輸送機(jī)設(shè)備機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 上位機(jī)裝置。上位機(jī)是整個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備采用型號為610 H型工業(yè)計(jì)算機(jī)，上位機(jī)中組態(tài)界面使用的是Forcecontrol sp 6.3軟件，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀況。

(2) PLC裝置。PLC裝置是機(jī)電控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵裝置，該裝置主要收集皮帶輸送設(shè)備運(yùn)行信號，并實(shí)現(xiàn)控制信息的輸出功能。此次機(jī)電控制系統(tǒng)使用型號為Logix1756型PLC裝置，通過雙CPU冗余設(shè)計(jì)方式，確保系統(tǒng)運(yùn)行更安全與穩(wěn)定。PLC裝置及冗余系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 PLC裝置及冗余系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)物圖

(3) 變頻裝置。變頻裝置型號為TMdrive-MV型，該變頻裝置屬于高-高形式的變頻裝置，該裝置擁有單元過電壓、過電流、缺相、變頻器過載、輸出短路保護(hù)以及對變壓器保護(hù)等多種功能，能夠更好的確保皮帶輸送設(shè)備變頻安全運(yùn)行。

(4) 運(yùn)行保護(hù)裝置。皮帶輸送設(shè)備保護(hù)裝置型號為KTC101型的保護(hù)裝置，能實(shí)現(xiàn)對皮帶輸送設(shè)備的跑偏保護(hù)、撕裂保護(hù)、打滑保護(hù)以堆煤保護(hù)等多種保護(hù)功能，可有效避免皮帶輸送機(jī)發(fā)生損壞。

(5) 監(jiān)測裝置。監(jiān)測裝置是對皮帶輸送設(shè)備運(yùn)行過程中電壓信號、電流信號以及溫度信息等進(jìn)行監(jiān)測。

(6) 通信裝置。通信設(shè)備確保機(jī)電控制系統(tǒng)通信的暢通，可以實(shí)現(xiàn)遙測、遙信以及遙控等功能。

3.2 節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)由啟動(dòng)子程序系統(tǒng)、功率子程序系統(tǒng)及智能節(jié)能子程序系統(tǒng)組成。其中啟動(dòng)子程序系統(tǒng)的功能主要有開車預(yù)警功能、減速器油泵裝置啟動(dòng)功能、風(fēng)扇裝置啟動(dòng)功能以及電機(jī)軟啟動(dòng)功能。功率子程序系統(tǒng)的功能主要是對變頻器裝置功率控制、電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡控制，為帶式輸送設(shè)備的安全與穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。智能節(jié)能子程序系統(tǒng)的功能主要有帶式輸送設(shè)備上煤量監(jiān)測功能、帶速調(diào)節(jié)功能，為帶式輸送設(shè)備實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的節(jié)能效果提供可靠保障[3]。其中功率子程序系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 功率子程序系統(tǒng)流程

4 節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果

4.1 電氣節(jié)能效果

未進(jìn)行改造之前，皮帶輸送設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中按照特定速率運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行消耗功率為定值，是額定功率的60%，每臺皮帶輸送設(shè)備額定功率為1 400 kW，每天運(yùn)行時(shí)間按照18 h計(jì)算，每年運(yùn)行天數(shù)按照300 d計(jì)算，3臺皮帶輸送設(shè)備每年總的電能消耗則為：W=3×1400×300×18×0.6=13 608 000 kWh。

改造后，皮帶輸送設(shè)備運(yùn)行速度和運(yùn)量之間存在一定匹配關(guān)系，依照平均運(yùn)量進(jìn)行計(jì)算，皮帶運(yùn)輸設(shè)備平均運(yùn)輸速率為2.5 m/s，此時(shí)電動(dòng)機(jī)功率值為1 050 kW。所以，機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行改造后，三臺皮帶輸送設(shè)備總電能消耗為：

W1=1 050×300×18 =5 670 000(kWh)

應(yīng)用了機(jī)電控制技術(shù)之后，平均每年電能消耗比之前減少了：

ΔW=W-W1=13 608 000-5 670 000

=7 938 000(Wh)

計(jì)算得出采用機(jī)電控制系統(tǒng)后節(jié)電率：

η=7938000/13608000=58%

因此采用機(jī)電控制技術(shù)取得了顯著的節(jié)電效果。

4.2 機(jī)械損耗節(jié)能效果

皮帶輸送設(shè)備運(yùn)行消耗除電能外，還有機(jī)械磨損，皮帶輸送設(shè)備運(yùn)行過程中軸承、滾筒以及托輥部件等與皮帶會有一定摩擦，若是皮帶運(yùn)行速率增加，則上述各個(gè)部件之間機(jī)械損耗也相應(yīng)增加。若是皮帶的速率減少，各個(gè)部件之間機(jī)械磨損便會減弱，即隨著帶速不斷減少，皮帶輸送設(shè)備機(jī)械磨損同樣減弱。采用節(jié)能控制系統(tǒng)后，確保了皮帶輸送設(shè)備可根據(jù)不同負(fù)載情況實(shí)時(shí)調(diào)整帶速，使皮帶輸送設(shè)備平均帶速得以顯著降低，確保了皮帶輸送設(shè)備機(jī)械損耗明顯改善。

5 結(jié) 語

此次優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合了帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制技術(shù)的具體應(yīng)用，探討了帶式輸送設(shè)備中節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用的效果，達(dá)到了帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)在煤礦開采中發(fā)揮重要作用的目的，應(yīng)用帶式輸送設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)代替單純機(jī)械機(jī)構(gòu)是煤礦企業(yè)節(jié)能發(fā)展的重要趨勢，只有不斷努力創(chuàng)新改革，盡快實(shí)現(xiàn)我國煤礦機(jī)械設(shè)備節(jié)能控制自動(dòng)化和智能化，才能保障我國煤炭礦業(yè)邁上快速發(fā)展的新臺階。