帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

趙云龍

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 晉中 030600）

引言

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)以及液壓支架、液壓泵站等作為綜采工作面的大型機(jī)電設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性直接決定綜采工作面煤炭的開(kāi)采效率，各個(gè)設(shè)備的節(jié)能效果將從根本上降低整個(gè)煤礦的耗能。帶式輸送機(jī)作為工作面的運(yùn)輸設(shè)備，其主要承擔(dān)物料、設(shè)備的運(yùn)輸任務(wù)[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)采用開(kāi)環(huán)控制方式，導(dǎo)致其無(wú)法根據(jù)輸送帶上的負(fù)載及時(shí)調(diào)整其帶速，尤其在輸送帶空載時(shí)設(shè)備仍以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成大量電能的浪費(fèi)。因此，急需設(shè)計(jì)一款節(jié)能控制系統(tǒng)，為降低煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本提供基礎(chǔ)。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，帶式輸送機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)滾筒、上托輥、下托輥、中間架、張緊裝置、改向滾筒等組成[2]。帶式輸送機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置提供驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶之間的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。

目前，應(yīng)用于帶式輸送機(jī)輸送帶的主要類型為橡膠帶和塑料帶。

帶式輸送機(jī)的托輥主要包括有緩沖托輥、調(diào)心托輥、平形托輥以及槽形托輥。其中，緩沖托輥的主要作用是減小物料對(duì)輸送帶的沖擊力；調(diào)心托輥的主要是當(dāng)輸送帶跑偏時(shí)對(duì)其進(jìn)行糾偏操作；槽形托輥主要用于運(yùn)輸散粒物料。

根據(jù)滾筒的安裝位置分為驅(qū)動(dòng)滾筒和改向滾筒。張緊裝置的主要作用是根據(jù)實(shí)際工況為輸送帶提供一定的張緊力，避免帶式輸送機(jī)出現(xiàn)打滑的事故[3]。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制的理論基礎(chǔ)

經(jīng)研究可知，帶式輸送機(jī)運(yùn)量和帶速是影響輸送機(jī)功率的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中帶輸送機(jī)帶速并不能夠根據(jù)其實(shí)時(shí)運(yùn)量進(jìn)行調(diào)節(jié)已達(dá)到最節(jié)能的效果。為此，設(shè)計(jì)如式（1）所示的節(jié)能策略。

式中：Q為帶式輸送機(jī)的運(yùn)量；v為帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度；qm為煤炭的線密度。

在實(shí)際情況中帶式輸送機(jī)不可能頻繁啟停，因此設(shè)定當(dāng)其運(yùn)量為0 時(shí)，帶式輸送機(jī)以最小的速度運(yùn)行。可得出如圖2 所示的運(yùn)量與運(yùn)速之間的關(guān)系曲線。

圖2 帶式輸送機(jī)運(yùn)量與運(yùn)速的關(guān)系曲線

綜上所述，基于上述運(yùn)速與運(yùn)量相匹配的思想設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)，不僅能夠提升帶式輸送機(jī)輸送效率，還能夠降低帶式輸送機(jī)的能耗。

3 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于帶式輸送機(jī)運(yùn)速與運(yùn)量相匹配的設(shè)計(jì)思路，采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)速隨著其運(yùn)量及工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的目的。為進(jìn)一步提升節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，即采用工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和PLC 控制相結(jié)合的控制方式，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的變頻節(jié)能控制，可滿足實(shí)際生產(chǎn)中的緊急停車(chē)、故障保護(hù)以及智能監(jiān)控等功能[4]。本節(jié)著重對(duì)帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC 控制柜的設(shè)計(jì)

該節(jié)能控制系統(tǒng)所采用的核心控制器PLC 的廠家型號(hào)為AB 公司的ConrtrolLogix5000 系列PLC。為提升節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性，PLC 控制器采用雙CPU 冗余系統(tǒng)。其中，一臺(tái)CPU 主要對(duì)所有設(shè)備的啟停進(jìn)行控制；另一臺(tái)CPU 的主要功能是對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中有事故發(fā)生立即實(shí)現(xiàn)功能切換，確保整個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行[5]。PLC 控制柜內(nèi)的雙冗余系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3 所示。

3.1.2 輸送帶保護(hù)裝置的選型設(shè)計(jì)

輸送帶保護(hù)裝置可避免帶輸送機(jī)出現(xiàn)故障后對(duì)設(shè)備造成更深的損害。該系統(tǒng)所選用的輸送帶保護(hù)裝置為天津華寧KTC010 保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的跑偏保護(hù)、打滑保護(hù)、堆煤保護(hù)以及撕裂保護(hù)。KTC010 保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。

3.1.3 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

關(guān)于變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)核心為對(duì)變頻器的選型。變頻器選型時(shí)需綜合考慮帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)中三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率和要求帶式輸送機(jī)遇到載荷突變的工況時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)低頻轉(zhuǎn)矩提升的能力。

在調(diào)研市場(chǎng)并在結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇西門(mén)子公司的5HK62-5B 為該節(jié)能控制系統(tǒng)的變頻器。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

帶輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)節(jié)能控制系統(tǒng)的控制思路基于 AB 公司的ConrtrolLogix5000 系列的編程軟件完成該系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)。

目前，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中控制算法包括有PID控制算法、模糊控制算法以及自適應(yīng)控制算法等。其中，PID 控制算法主要應(yīng)用于線性控制系統(tǒng)；模糊控制算法主要應(yīng)用非線性控制算法。因此，本節(jié)能控制系統(tǒng)采用模糊控制算法。帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的模糊控制原理如圖4 所示。

如圖4 所示，節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)輸送帶的運(yùn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并將監(jiān)視所得結(jié)果通過(guò)模糊控制器傳入PLC 控制器中，根據(jù)PLC 控制器中所存儲(chǔ)的模糊控制算法對(duì)比當(dāng)前的帶速是否與實(shí)時(shí)載荷相匹配。若帶速與運(yùn)量不匹配，系統(tǒng)立即控制變頻器完成對(duì)帶式輸送機(jī)電機(jī)的頻率的控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶速的調(diào)整。

4 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

將所設(shè)計(jì)的節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用于寺家莊煤礦工作面帶式輸送機(jī)的控制中。該煤礦的主要參數(shù)如下：

煤礦年產(chǎn)量M為5 Mt；帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行速度為4.5 m/s；帶輸送機(jī)電機(jī)的額定電壓為6 kV，額定功率為1 400 kW，電機(jī)的數(shù)量為3 臺(tái)。該煤礦的生產(chǎn)制度為：每年生產(chǎn)工作日天數(shù)為300 d，每天生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)t為18 h。

4.1 改造前耗電量

W1=3 臺(tái)×1400kW/臺(tái)×18h/d×300d=22680000 kWh。

4.2 改造后耗電量

根據(jù)模糊控制算法，當(dāng)帶式輸送機(jī)的運(yùn)量為926 t/h 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最佳帶速為2.13 m/s。則，此時(shí)對(duì)應(yīng)的帶式輸送機(jī)的工作功率為1 400×2.13/4.5=663 kW。則，節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用后的耗電量為：W2=3臺(tái)×663 kW/臺(tái)×18 h/d×300 d=10 740 600 kWh。

經(jīng)計(jì)算，每年可節(jié)約電能W=W1-W2=11 939 400 kWh，節(jié)能效率可達(dá)52.64%。

5 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的局限性無(wú)法實(shí)現(xiàn)帶速與運(yùn)量相匹配的控制，造成了工作面電能極大的浪費(fèi)。將模糊控制算法、變頻控制技術(shù)以及PLC 控制器等有機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)出一款節(jié)能控制系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)到52.64%的節(jié)能效果。