礦用帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

武宏光

（西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，煤炭消耗量逐年增加，煤炭掘進(jìn)工作日益繁重[1]。煤炭行業(yè)得以正常進(jìn)行的重要資源是電能，其支撐煤炭空壓系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)等運(yùn)行，其中帶式輸送機(jī)是煤礦企業(yè)能耗最大的設(shè)備[2-3]。帶式輸送機(jī)在煤炭生產(chǎn)過程中連續(xù)作業(yè)，目前較為常見的能耗問題是因?yàn)槊禾慨a(chǎn)量不均，出現(xiàn)全負(fù)荷功率條件下輸送較少的煤炭，導(dǎo)致能源利用率較低[4]。故而，為了降低煤炭掘進(jìn)的成本，有待進(jìn)一步提升帶式輸送機(jī)的運(yùn)送效率。研究表明[5-6]，目前各大煤炭企業(yè)服役的帶式輸送機(jī)多是恒速運(yùn)行模式，不能適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。因此，筆者基于某煤炭企業(yè)服役中的帶式輸送機(jī)現(xiàn)有控制系統(tǒng)，開展節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，此舉對(duì)于提高帶式輸送機(jī)的利用率，降低其運(yùn)行能耗具有重要的意義。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，包括輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、張緊裝置、清掃裝置和托輥等。輸送帶用于承接煤炭并牽引煤炭將其運(yùn)至地面，要求其具有足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性能；驅(qū)動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的主動(dòng)滾筒，通常采用雙滾筒，以適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境；張緊裝置用于保證輸送帶具有一定的張緊力，使其與主動(dòng)滾筒之間具有足夠的摩擦力，避免打滑；清掃裝置用于清掃輸送帶運(yùn)行軌跡上的煤炭殘?jiān)?，避免輸送帶出現(xiàn)跑偏或結(jié)構(gòu)部件的過度磨損；托輥用于承重及防止輸送帶跑偏，要求具有較好的抗沖擊能力，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成

帶式輸送機(jī)工作過程中，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾筒連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，借助輸送帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間的摩擦力，驅(qū)動(dòng)輸送帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了避免輸送帶具有較大的垂度，驅(qū)動(dòng)滾筒和轉(zhuǎn)向滾筒之間設(shè)置多個(gè)托輥。當(dāng)輸送帶連續(xù)運(yùn)行出現(xiàn)松弛時(shí)，通過張緊裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 節(jié)能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合礦用帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理，開展了帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖2 所示給出了節(jié)能系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。其工作流程如下：一是監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)煤倉(cāng)內(nèi)部的煤儲(chǔ)量、煤炭供應(yīng)的速度和帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度；二是將監(jiān)測(cè)得到的煤儲(chǔ)量、上煤速度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度實(shí)測(cè)值傳送至節(jié)能控制系統(tǒng)；三是通過系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理，確定系統(tǒng)的總能耗，對(duì)比分析數(shù)據(jù)，確定能耗最低的運(yùn)行模式，以便降低能耗和煤炭生產(chǎn)成本。為了保證帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了帶式輸送機(jī)突發(fā)狀況及周圍環(huán)境中可能存在的影響因素。

圖2 節(jié)能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感元器件

為了適應(yīng)帶式輸送機(jī)較為惡劣的服役環(huán)境，傳感元器件多為防爆型，其中涉及皮帶秤，選擇的是ICS 電子皮帶秤，配置了稱重、測(cè)速、統(tǒng)計(jì)和通信四大功能；煤倉(cāng)料位計(jì)，選擇的是SBD/STD 型號(hào)的超聲波料位計(jì)，能夠輸出4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；變頻器選擇的是BPJ 系列礦用防爆型交流變頻器，配置了軟啟動(dòng)、調(diào)速優(yōu)化、功率平衡等功能；速度傳感器用于監(jiān)測(cè)輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度；還有一些保護(hù)類傳感器，如堆煤監(jiān)測(cè)、撕裂監(jiān)測(cè)、跑偏監(jiān)測(cè)等。

3.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 作為節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)節(jié)能控制的基礎(chǔ)。選擇的是S7-1200 控制芯片，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和通信傳輸功能，能夠匹配系統(tǒng)中其他元器件的控制需求。根據(jù)帶式輸送機(jī)節(jié)能控制需求，配置PLC 內(nèi)部模塊：主控制器選擇CPU1214C DC/DC/DC 模塊，供電選擇PM1207 模塊，數(shù)字量輸入選擇SM1221 DI8×24 V DC 模塊，模擬量輸入選擇SM1231 AI4×13 bit 模塊，通信選擇CM1243-5 模塊?；赑LC 各個(gè)模塊配置的型號(hào)，完成了節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，如圖3 所示給出了PLC 及其相關(guān)模型的接線配置圖。

圖3 PLC 及其相關(guān)模型的接線配置圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟啟動(dòng)控制

帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)中軟啟動(dòng)控制模塊的工作原理是，通過控制驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行功率，使其按照規(guī)定的軟啟動(dòng)曲線進(jìn)行緩慢啟動(dòng)，避免帶式輸送機(jī)滿功率啟動(dòng)，產(chǎn)生較大的電能消耗。具體工作流程如下：?jiǎn)?dòng)帶式輸送機(jī)進(jìn)行預(yù)警，確定各個(gè)保護(hù)裝置運(yùn)行正常之后開啟抱閘，之后驅(qū)動(dòng)電機(jī)上電并啟動(dòng)散熱風(fēng)扇和張緊裝置，確定輸送帶張力正常之后啟動(dòng)電機(jī)變頻器，按照S 形曲線控制頻率從0 增加至設(shè)定數(shù)值，此過程控制驅(qū)動(dòng)裝置緩慢受載啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

4.2 功率平衡控制

為了確保井下帶式輸送機(jī)工作的可靠性，通常設(shè)置多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此處研究的帶式輸送機(jī)為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的形式。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，需要保證電機(jī)的功率平衡，以便提升帶式輸送機(jī)的工作穩(wěn)定性。功率平衡控制流程如圖4 所示，其中IP 為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均電流數(shù)值，I1和I2為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際采集電流數(shù)值。

圖4 功率平衡控制流程

4.3 系統(tǒng)優(yōu)化控制

以煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)值為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化控制程序，及時(shí)調(diào)整帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和煤炭供給量，以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)工作在最優(yōu)狀態(tài)，降低系統(tǒng)的能耗。具體控制流程如下：?jiǎn)?dòng)帶式輸送機(jī)后，在各項(xiàng)保護(hù)功能正常的情況下，軟啟動(dòng)開啟，完成帶式輸送機(jī)啟動(dòng)之后，系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)是否工作在最優(yōu)狀態(tài)，如果沒有開啟優(yōu)化運(yùn)算，進(jìn)行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)功率平衡控制。

4.4 系統(tǒng)故障預(yù)警

帶式輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免地出現(xiàn)故障問題，設(shè)置必要的保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)得到故障信息，將故障信息傳輸至PLC，及時(shí)停止帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)更大的故障，同時(shí)能夠?qū)收线M(jìn)行分析，發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)，提示監(jiān)控人員快速作出故障響應(yīng)，確保發(fā)生故障的帶式輸送機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行。系統(tǒng)故障預(yù)警工作流程如下頁(yè)圖5 所示，其中驅(qū)動(dòng)滾筒的速度為V1。

圖5 系統(tǒng)故障預(yù)警程序

4.5 上位機(jī)

根據(jù)帶式輸送機(jī)人機(jī)交互界面的需求，完成了上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。當(dāng)輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為綠色時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)良好；顯示紅色時(shí)，表示輸送機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)了某些故障；顯示灰色時(shí)，表示輸送機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)可以讀取輸送機(jī)系統(tǒng)的供煤速度、輸送帶運(yùn)行速度和系統(tǒng)的總功率等參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)值。系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，使帶式輸送機(jī)處于最優(yōu)狀態(tài)下工作。當(dāng)帶式輸送機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)偏離時(shí)，也可以人工調(diào)節(jié)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)參數(shù)的遠(yuǎn)程修改和控制。

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和效果，將其應(yīng)用于某煤炭生產(chǎn)企業(yè)正在服役的帶式輸送機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，記錄運(yùn)行情況。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可滿足帶式輸送機(jī)節(jié)能控制要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于原控制系統(tǒng)，節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了帶式輸送機(jī)近14%的電能消耗，降低了近10%的故障停機(jī)時(shí)間，節(jié)省了運(yùn)行維護(hù)人員，提高了帶式輸送機(jī)的運(yùn)行安全性，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計(jì)煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100 萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。