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

王 飛

(山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，礦山機(jī)械設(shè)備的性能不斷提升，但機(jī)械的用電消耗不斷增大，大電耗使得礦山的經(jīng)濟(jì)成本增高，降低了礦山的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。帶式輸送機(jī)作為礦山重要的機(jī)械設(shè)備，其工作性能的好壞直接關(guān)系著礦山煤炭的產(chǎn)量，現(xiàn)在的帶式輸送機(jī)逐步向著遠(yuǎn)距離、大運(yùn)量的方向進(jìn)行發(fā)展，但隨著其性能的提升，其用電量的問(wèn)題逐步成為礦山關(guān)注的問(wèn)題，此前眾多學(xué)者對(duì)帶式輸送機(jī)的節(jié)能問(wèn)題進(jìn)行過(guò)一定的研究[3-4]。

為了降低帶式輸送機(jī)的電耗，筆者利用高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)對(duì)B1400型帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可以根據(jù)實(shí)際的工作情況進(jìn)行速度的合理選擇，實(shí)現(xiàn)帶速的自我調(diào)節(jié)，降低帶式輸送機(jī)能耗，為帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

B1400型帶式輸送機(jī)在不同的工作階段運(yùn)載量也是不同的，根據(jù)對(duì)載荷重量的監(jiān)測(cè)進(jìn)行智能調(diào)速，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)速度與載重的合力配比。通過(guò)設(shè)計(jì)后對(duì)優(yōu)化前后的帶式輸送機(jī)的能耗及運(yùn)輸效果進(jìn)行一定的對(duì)比，得出優(yōu)化的節(jié)能數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能。

由于運(yùn)輸量的變化，在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)PLC控制器，PLC節(jié)能控制調(diào)節(jié)器可以有效的實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)載重的監(jiān)測(cè)，通過(guò)內(nèi)部的邏輯計(jì)算給出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精確的速度控制，同時(shí)降低啟動(dòng)電流，降低電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)有三個(gè)部分組成，分別為控制單元模塊、監(jiān)測(cè)單元模塊及執(zhí)行單元模塊，分別為皮帶秤、變頻調(diào)速裝置、PLC控制器和帶速傳感器等，監(jiān)測(cè)模塊的主要作用是利用皮帶秤進(jìn)行運(yùn)載信號(hào)的采集，通過(guò)帶速傳感器對(duì)帶速信號(hào)傳輸至PLC模塊；控制模塊將接收信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的調(diào)速、啟停等功能，實(shí)現(xiàn)速度由載重控制的目標(biāo)；執(zhí)行模塊是將控制模塊的信號(hào)傳輸至電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。帶式輸送機(jī)的節(jié)能系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)的節(jié)能系統(tǒng)示意圖

PLC控制器是輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的核心部件，其主要包括了中央處理器(cpu)、存儲(chǔ)器、外部的編程器和輸出及輸入接口(0/I)。傳感器的主要作用為采集電流信號(hào)，將采集到的信號(hào)通過(guò)輸出輸入接口傳輸至存儲(chǔ)器，再由cpu對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后發(fā)出指令。要實(shí)現(xiàn)變頻控制帶速的目的，需要將變頻器及檢測(cè)環(huán)節(jié)加入系統(tǒng)中，PLC主程序的流程圖及帶速煤量檢測(cè)控制流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

如圖2(a)PLC主程序的流程圖可以看出帶式輸送機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)行啟動(dòng)預(yù)警，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)啟動(dòng)是否正常，如果啟動(dòng)不正常系統(tǒng)報(bào)警，如果正常系統(tǒng)正常啟動(dòng)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如果轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足調(diào)速的需求則進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速取決于速度的速度調(diào)節(jié)的公式，如果轉(zhuǎn)速不滿(mǎn)足調(diào)速要求則繼續(xù)額定速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2(b)為帶速與煤量檢測(cè)流程圖，從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，傳感器將輸送機(jī)帶速及運(yùn)量的信號(hào)進(jìn)行采集，將采集的信號(hào)進(jìn)行PLC邏輯運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，根據(jù)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)速與否的判斷，如若不用調(diào)速則結(jié)束，如果需要進(jìn)行調(diào)速，PLC將調(diào)速的信號(hào)進(jìn)行輸出，進(jìn)行調(diào)速，具體的節(jié)能調(diào)速的控制流程圖如圖3所示。

圖3 節(jié)能控制系統(tǒng)具體流程圖

變頻器是將電壓及變頻電流進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將其變?yōu)榻涣麟姷难b置，通過(guò)變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻控制。變頻器主要可以分為電壓及電流變頻器兩種，變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由整流單元、逆變單元、直流濾波單元及輸出單元等組成，輸出及輸入單元是保證變頻器不受外部設(shè)備影響的重要部件，直流濾波單元同樣可以稱(chēng)為儲(chǔ)能單元，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)載與整流器間的無(wú)功緩沖，有效抑制脈沖；制動(dòng)單元是為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置減速及停車(chē)的部件，其主要作用為耗能制動(dòng)；逆變單元時(shí)將直流電壓及電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷弘娏鞯难b置。

變頻器的選型對(duì)于電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要，此次設(shè)計(jì)的變頻器選型為MVG-2000/10/6k型變頻調(diào)速裝置，其具備過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電、電機(jī)過(guò)載等事件的保護(hù)功能，其額定的容量為2000 kVA、額定的輸出電壓為6 kV，額定的輸入電壓為10 kV，控制精度小于0.1%。PLC裝置的選型為ControlLogix5000 1756型可編程控制器，其主要由CPU、數(shù)字量接入接出端口、電源模塊、通信模塊及模擬輸入輸出模塊等，其可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器獨(dú)立或聯(lián)合作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、順序控制、過(guò)程控制等功能。

2 設(shè)計(jì)效果分析

此次設(shè)計(jì)主要的優(yōu)點(diǎn)是：①可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的自動(dòng)調(diào)速節(jié)能工作；②設(shè)計(jì)后的節(jié)能控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)后續(xù)的優(yōu)化；③設(shè)計(jì)后的電氣控制系統(tǒng)降低了電量的消耗、解決了運(yùn)行低效、檢修難等問(wèn)題。

完成節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后對(duì)優(yōu)化后的節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，首先進(jìn)行運(yùn)輸效率的分析，節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的帶式輸送機(jī)每小時(shí)運(yùn)量為：

所以帶式輸送機(jī)的冗余比為：

從上式可以看出，優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)冗余比為68%，而優(yōu)化前帶式輸送機(jī)在滿(mǎn)載、空載及輕載狀態(tài)下均以額定速度運(yùn)行，所以效率很低，帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可根據(jù)運(yùn)載量進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)，提升了運(yùn)輸?shù)男省?/p>

對(duì)電氣的節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比分析，由于在未對(duì)帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置前，帶式輸送機(jī)平均輸出頻率為42 Hz，所以根據(jù)變頻器的調(diào)速原理及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，未設(shè)計(jì)前帶式輸送機(jī)的消耗功率約為額定的6成左右，所以帶式輸送機(jī)的耗電量為：

W=3×1 400×330×16×0.6=13 305 600 (kWh)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的節(jié)能控制系統(tǒng)電量消耗可以根據(jù)平均運(yùn)量進(jìn)行計(jì)算，其運(yùn)量與帶式成正比，所以電動(dòng)機(jī)的輸出功率為：

P=Pe×(f/fe)3×η

式中：Pe為額定功率，kW；f為輸出頻率，Hz；fe為額定頻率，Hz。

根據(jù)計(jì)算可知優(yōu)化后的節(jié)能控制系統(tǒng)輸出功率約為710 kW，所以?xún)?yōu)化后的用電量為：

W=3×710×330×16=11 246 400 (kWh)

由此得出，優(yōu)化后電能的消耗降低15.5%，效果非?？捎^(guān)，降低了煤礦原煤的成本，提升了礦山的經(jīng)濟(jì)，達(dá)到了節(jié)能降耗目的[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了解決帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)妮p載或空載電機(jī)恒速運(yùn)行造成電量損耗的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有變頻調(diào)速功能的節(jié)能控制系統(tǒng)，給出了節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)完成的節(jié)能控制系統(tǒng)與原有系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)的節(jié)能控制系統(tǒng)不僅可以提升帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，同時(shí)有效的降低了輸送機(jī)的電量消耗，為帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。