帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)能控制研究

王建龍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048108）

引言

帶式輸送機(jī)為煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備，隨著采煤技術(shù)及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的提升，帶式輸送機(jī)也朝著長距離、大運(yùn)量的方向發(fā)展。為滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，對(duì)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的帶式輸送機(jī)的電機(jī)功率的要求越大，且單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式容易導(dǎo)致設(shè)備應(yīng)力集中而影響其使用壽命和可靠性[1]。因此，目前工作面主要以多電機(jī)帶式輸送機(jī)為主。本文著重對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制策略及其效果進(jìn)行分析。

1 多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率平衡控制的策略

對(duì)于帶式輸送機(jī)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式而言，要求其驅(qū)動(dòng)裝置可按照理想的驅(qū)動(dòng)曲線啟動(dòng)，并保證在重載以及載荷突變等工況下可平穩(wěn)啟動(dòng)，不會(huì)對(duì)帶式輸送機(jī)造成沖擊，且可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)停車而不停電機(jī)的控制效果。此外，對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式而言，其最關(guān)鍵問題在于實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)的功率平衡問題，并對(duì)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的合理控制。因此，本文將在基于實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)功率平衡問題的基礎(chǔ)上達(dá)到其節(jié)能的效果。本機(jī)主要實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的功率平衡，避免其由于電機(jī)功率不平衡而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)過載或者欠載的事故。

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)各電機(jī)功率的分配應(yīng)滿足式（1）的要求：

式中：Pi為每個(gè)電機(jī)應(yīng)分配到的功率值；Pe，i為電機(jī)的額定功率；P 為帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)負(fù)載所需的功率；n 為帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的臺(tái)數(shù)。

由式（1）可知，所謂功率平衡指的是在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式下，要求各個(gè)電機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率的比值與各個(gè)電機(jī)的額定輸出功率相匹配[2]。結(jié)合多電機(jī)驅(qū)動(dòng)下功率平衡的控制要求，以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)為例，設(shè)計(jì)如圖1 所示的控制結(jié)構(gòu)圖。

圖1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)功率平衡控制結(jié)構(gòu)框圖

如圖1 所示，PLC 為實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)功率平衡的關(guān)鍵，其根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)換算出帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)量及運(yùn)算，進(jìn)而得出帶式輸送機(jī)多電機(jī)所輸出的總功率。在此基礎(chǔ)上，PLC 控制器根據(jù)各個(gè)電機(jī)額定功率的比例對(duì)其實(shí)時(shí)輸出的電機(jī)功率進(jìn)行分配，并通過變頻器對(duì)其電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)基于功率平衡下帶式輸送機(jī)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能[3]。

2 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)節(jié)能功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 變頻器的選型

如“1”研究掌握了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送量功率平衡功能實(shí)現(xiàn)的控制策略，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制。本文所研究帶式輸送機(jī)的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

本文所研究帶式輸送機(jī)共有三個(gè)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)應(yīng)電機(jī)的額定功率為1 000 kW。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中采用變頻調(diào)速技術(shù)解決設(shè)備耗能嚴(yán)重的問題。因此，針對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)同樣基于變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能控制功能。因此，多電機(jī)帶式輸送機(jī)的節(jié)能效果與其所選型變頻器的性能相關(guān)。

根據(jù)表1 中多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)且其各個(gè)電機(jī)的輸出額定壓值為2.3 kV。因此，為其配置變頻器的輸出電壓值為2.3 kV。結(jié)合變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求，最終選擇變頻器的型號(hào)為6SE8014 變頻器。

2.2 PLC 控制器的選型

同樣，PLC 控制器為多電機(jī)帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能變頻控制的核心，其不僅需要對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括有各電機(jī)的溫度、帶速、運(yùn)量等參數(shù)，從而可實(shí)時(shí)換算出設(shè)備所需的功率，還需將所采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)并通過液晶顯示屏呈現(xiàn)于用戶，便于用戶實(shí)時(shí)查看并掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[4]。

因此，綜合考慮系統(tǒng)控制的可靠性和穩(wěn)定性，針對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制所選型PLC控制器的型號(hào)為S7-300 系列。根據(jù)節(jié)能控制系統(tǒng)的需求統(tǒng)計(jì)，為系統(tǒng)配置的開關(guān)量輸入點(diǎn)為17 個(gè)，對(duì)應(yīng)模塊為SM321；模擬量輸入點(diǎn)為6 個(gè)，對(duì)應(yīng)模塊為SM331；開關(guān)量輸出點(diǎn)為5 個(gè)，對(duì)應(yīng)輸出模塊為SM323。而且，PLC 控制器為上位機(jī)與下位機(jī)通信的橋梁，其通信功能主要基于PROFIBUS 通信網(wǎng)絡(luò)鎖實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊為CPU315。

2.3 保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

為進(jìn)一步提升多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，還需為其提供一套可靠的保護(hù)系統(tǒng)，其主要保護(hù)思路為根據(jù)各類傳感器對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的某一參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警并及時(shí)停機(jī)。根據(jù)帶式輸送機(jī)常見的故障類型，本系統(tǒng)主要對(duì)輸送帶的跑偏、輸送帶上的堆煤現(xiàn)象以及工作面的煙霧超標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其對(duì)應(yīng)傳感器與PLC 控制器的數(shù)字量輸入模塊SM321 的連接示意圖如圖2 所示。各類傳感器的選型結(jié)果如表2 所示。

3 節(jié)能效果驗(yàn)證

圖2 PLC 控制器與保護(hù)傳感器連接示意圖

表2 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)傳感器選型結(jié)果

本文所研究的帶式輸送機(jī)輸送帶的長度為1.5 km，在滿載狀態(tài)下的運(yùn)量為4 000 t/h。工作面每年需運(yùn)輸煤炭總量為1 300 萬t，根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸可粗略估算。設(shè)備滿載運(yùn)行時(shí)長約占總運(yùn)行時(shí)長的60%，對(duì)應(yīng)電機(jī)功率分別為551 kW。非滿載運(yùn)行時(shí)長約占總運(yùn)行時(shí)長的40%，對(duì)應(yīng)電機(jī)功率為374 kW。

帶式輸送機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)長約為1 300 萬t×60%÷4 000 t/h=1 950 h，非滿載運(yùn)行工況運(yùn)量按照2 000 t/h 計(jì)算，則非滿載運(yùn)行時(shí)長約為：1 300 萬t×40%÷2 000 t/h=2 500 h。經(jīng)計(jì)算可得，未采用變頻調(diào)速之前，每年的耗電量為551 kW×1 950 h+374 kW×2 600 h=2 046 850 kWh。

當(dāng)帶式輸送機(jī)采用變頻調(diào)速控制后，當(dāng)運(yùn)量為2 000 t/h 時(shí)，其對(duì)應(yīng)帶速應(yīng)為1.5 m/s，此時(shí)電機(jī)功率為246 kW。則，采用變頻調(diào)速后，每年的耗電量為551 kW×1 950 h+264 kW×2 600 h=1 760 850 kWh。則，采用變頻調(diào)速后每個(gè)電機(jī)每年可節(jié)約電量為2 046 850 kWh-1 760 850 kWh=286 000 kWh；三電機(jī)帶式輸送機(jī)可節(jié)約電量為286 000 kWh×3=858 000 kWh。按照電價(jià)為0.5 元/kWh 計(jì)算，則，每年可節(jié)約電費(fèi)42.9 萬元。

4 結(jié)論

1）為多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)各電機(jī)額定功率的比例并對(duì)各電機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率進(jìn)行分配，從而實(shí)現(xiàn)功率平衡；

2）用PLC 控制器和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的變頻節(jié)能控制，且具體變頻型號(hào)為6SE8014，PLC 控制器為S7-300；

3）多電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，每年可節(jié)約電費(fèi)約42.9 萬元。