基于變頻技術(shù)的煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)研究

張志軍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300)

帶式輸送機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域非常重要的運(yùn)輸裝備,具備結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)散裝物料連續(xù)運(yùn)輸?shù)缺姸鄡?yōu)勢,在煤礦開采領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平要求的不斷提升,很多原先使用的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng),已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化煤礦的基本需求[2]。很多煤礦中使用的帶式輸送機(jī)無法實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速,即無論帶式輸送機(jī)輸送煤礦物料質(zhì)量多少,都按照大功率運(yùn)行[3]。然而煤礦開采存在一定的動態(tài)性,部分時間段需要輸送的煤礦相對較少,此時帶式輸送機(jī)還是以高功率運(yùn)行,就存在浪費(fèi)電能的問題[4]。不僅會在一定程度上增加煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本,也與我國節(jié)能減排的大政策相違背,不利于煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

基于此,有必要從節(jié)能降耗的角度對帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,引進(jìn)先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù),提升煤礦設(shè)備的智能水平[6]。近年來,人們在帶式輸送機(jī)的變頻領(lǐng)域進(jìn)行了一定的研究,王志廣等[7]分析了帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用可以在一定程度上降低設(shè)備的能耗;田永超等[8]研究了煤礦井下膠帶輸送機(jī)中永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用情況,與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比較,變頻系統(tǒng)取得了很好的效果;賀紅宙[9]從節(jié)能降耗角度分析了變頻技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用效果,其研究成果與王志廣和田永超等人的基本相同,即變頻技術(shù)的應(yīng)用效果良好。

1 帶式輸送機(jī)主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)最基本的結(jié)構(gòu)是兩個滾筒以及包圍在滾筒上面的膠帶,滾筒與膠帶之間通過摩擦力傳遞力矩[10]。帶式輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of belt conveyor

由圖1可知,除驅(qū)動滾筒和膠帶外,機(jī)械結(jié)構(gòu)上還包括轉(zhuǎn)向滾筒、托輥、機(jī)架、卸料漏斗、張緊裝置等部分。轉(zhuǎn)向滾筒的作用是改變膠帶的運(yùn)動方向,托輥的作用是對膠帶進(jìn)行托舉,避免膠帶在物料重力的作用下過度下垂。張緊裝置的作用是為膠帶提供一定的張力,避免張力過大影響膠帶使用壽命,或張力過小導(dǎo)致驅(qū)動滾筒與膠帶之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,影響帶式輸送機(jī)的正常工作。機(jī)架固定在地基上,為整個設(shè)備提供支撐,確保設(shè)備零部件之間的位置關(guān)系正確。

1.2 基本工作原理

需要輸送的煤礦物料裝載在膠帶上面,由電機(jī)提供的動力經(jīng)過傳動系統(tǒng)后輸入到驅(qū)動滾筒中。由于膠帶具有合適的張緊力,所以驅(qū)動滾筒的力矩可通過摩擦力驅(qū)動膠帶做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)膠帶上面物料的直線運(yùn)輸。膠帶與滾筒之間的摩擦系數(shù)及其包角是衡量帶式輸送機(jī)輸送能力的重要指標(biāo),實(shí)際操作時可以對以上指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)不同的工況環(huán)境[11]。

普通的帶式輸送機(jī)正常工作時運(yùn)行速度始終保持恒定,無法根據(jù)實(shí)際需要對運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整,使輸送量與運(yùn)行速度相匹配,達(dá)到節(jié)能降耗的效果。但是在現(xiàn)代化煤礦中,煤礦開采效率更高、輸送量更大、運(yùn)行速度更快,以恒定速度運(yùn)行暴露出的問題越來越嚴(yán)重[12]。利用現(xiàn)代化的先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)可以很好地解決該問題。

2 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)框架設(shè)計

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure frame of belt conveyor control system

系統(tǒng)整體上可以分為6大部分:①上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。此部分主要是接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息,并在監(jiān)視屏幕上實(shí)時顯示帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),也可在上位機(jī)中下達(dá)指令對井下帶式輸送機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。②PLC控制器。PLC控制器是控制系統(tǒng)的核心部分,作用是對傳感器檢測獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集,并綜合分析后判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)而下達(dá)指令對帶式輸送機(jī)進(jìn)行控制。③變頻驅(qū)動系統(tǒng)。此部分主要包括變頻器,具體型號為6ES71,變頻器采用的是交—直—交的結(jié)構(gòu)設(shè)計,自帶過電流、過電壓、欠電壓、過載等多種形式的保護(hù),能顯著提升裝置的運(yùn)行可靠性。④保護(hù)系統(tǒng)。本研究中利用KTC101保護(hù)裝置對帶式輸送機(jī)進(jìn)行保護(hù),從而保障設(shè)備運(yùn)行過程的安全性。⑤信號監(jiān)測裝置。作用是對帶式輸送機(jī)運(yùn)行時的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。⑥通信裝置。作用是實(shí)現(xiàn)各硬件裝置之間的數(shù)據(jù)通信,包括工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus通信。

2.2 系統(tǒng)工作原理

研究的帶式輸送機(jī)由3臺電機(jī)同時驅(qū)動,為每臺電機(jī)配備變頻器和配電柜。3臺變頻器通過Profibus通信協(xié)議與PLC控制器進(jìn)行連接,接受PLC的控制。利用傳感器檢測的數(shù)據(jù)信息會及時上傳到PLC中進(jìn)行綜合分析,判斷煤礦輸送量與運(yùn)行速度之間的匹配性,并根據(jù)結(jié)果下達(dá)指令,控制帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度[13-15]。PLC控制器通過交換機(jī)和工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

煤流量以及膠帶運(yùn)行速度是影響帶式輸送機(jī)能耗的重要因素,根據(jù)膠帶實(shí)際輸送的煤流量,對其運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整控制,可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的效果?；谀：刂破鞯乃俣瓤刂圃砣鐖D3所示。圖3中,e和ec分別為設(shè)定速度和實(shí)際速度之間的偏差和偏差變化率,E和Ec分別為模糊化處理后的偏差和偏差變化率。系統(tǒng)運(yùn)行時根據(jù)運(yùn)輸?shù)拿毫髁拷o定一個理想的膠帶運(yùn)行速度,同時利用傳感器對膠帶實(shí)際速度進(jìn)行檢測,將兩者進(jìn)行比較得到速度偏差和偏差變化率,利用模糊控制器處理后可以獲得速度調(diào)整量,并作用于變頻器上,變頻器根據(jù)調(diào)整量輸出對應(yīng)的電壓頻率,對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

圖3 基于模糊控制器的速度控制原理Fig.3 Speed control principle based on fuzzy controller

3 控制系統(tǒng)的主要硬件選型設(shè)計

3.1 主要硬件類型

硬件是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ),硬件性能會對控制系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生決定性的影響,帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。可以看出,硬件部分以PLC控制器為核心,同時利用各類傳感器對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測,結(jié)合檢測結(jié)果下達(dá)指令,控制變頻器的輸出頻率,進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。

圖4 控制系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Main hardware structure of the control system

3.2 主要硬件型號

(1)PLC控制器。PLC控制器選用的是西門子研制的S7-1200型。此型號控制器在工業(yè)領(lǐng)域具有非常良好的應(yīng)用,且能夠滿足礦井復(fù)雜的工況環(huán)境,具有成本低、性能好等綜合優(yōu)勢。控制器采用模塊化思想設(shè)計,由不同的模塊構(gòu)成,其中CPU模塊是最重要的模塊,型號為1214C DC/DC/DC,需要在CPU中存儲用戶和系統(tǒng)程序,利用程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析處理,并下達(dá)指令對變頻器進(jìn)行控制。還包括電源模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入和輸出模塊、通信模塊和通訊模塊等。電源模塊型號為PM1207,數(shù)字量輸入模塊型號為SM 1221,模擬量輸入模塊型號為SM 1231,通信模塊型號為CM 1243-5,通訊模塊信號為CM 1241(RS422/485)。利用電源模塊可將系統(tǒng)提供的120 V或220 V交流電壓轉(zhuǎn)變成為24 V直流電壓,供控制系統(tǒng)其他硬件設(shè)施使用。

(2)變頻器。對于本系統(tǒng)而言,變頻器與PLC控制器具有同等的地位,因?yàn)橄到y(tǒng)需要利用變頻器對電壓頻率進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速,達(dá)到節(jié)能降耗的效果。變頻器最基本的工作原理,是將交流電壓轉(zhuǎn)變成為直流電壓,再轉(zhuǎn)變成為交流電壓,并在最后轉(zhuǎn)變時根據(jù)實(shí)際需要對電壓頻率進(jìn)行控制。為了確保PLC控制器和變頻器之間相互兼容,變頻器同樣選擇西門子公司生產(chǎn)的6ES71型號,變頻器正常工作時的額定電流和電壓分別為860 A和600～690 V。配備有3臺變頻器,并為每臺變頻器設(shè)置了配電柜。

(3)電子膠帶秤。電子膠帶秤的作用是對帶式輸送機(jī)中輸送的煤流量進(jìn)行實(shí)時檢測,其性能會對系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生直接影響,系統(tǒng)中選用的膠帶秤型號為ICS-ST。該裝置以重量傳感器為核心,同時配合其他外圍電路實(shí)現(xiàn)對煤流量的檢測。

(4)傳感器。系統(tǒng)設(shè)置有多種類型的傳感器,最重要的是速度傳感器,還設(shè)置有綜合保護(hù)傳感器。選用的速度傳感器型號為GSC4,該裝置工作時的額定電流和額定電壓分別為50 mA和12 V DC,可以測量的速度范圍為0～5 m/s,測量精度可控制在0.5%以內(nèi),完全能滿足本系統(tǒng)的實(shí)際要使用要求。綜合保護(hù)傳感器由多種類型的傳感器構(gòu)成,主要包括撕裂傳感器、煙霧傳感器、堆煤傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、拉繩開關(guān)和急停開關(guān)等。

4 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

4.1 軟件程序整體設(shè)計

考慮PLC控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分,因此在介紹控制系統(tǒng)軟件程序時,主要介紹PLC控制器的軟件程序。該程序基于模塊化思想進(jìn)行設(shè)計,整個程序包含一個主程序以及多個具備有不同功能的子程序。在編寫程序時針對每個子程序可以單獨(dú)編制并調(diào)試,不僅方便軟件程序的編寫,也方便程序后續(xù)的維護(hù)。PLC操作系統(tǒng)程序運(yùn)行過程中,利用主程序可以隨時調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的功能。PLC控制系統(tǒng)主程序的主要工作流程如圖5所示。由圖5可知,操作系統(tǒng)的程序開始工作后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化處理,確保各項(xiàng)硬件裝置都能夠正常工作并對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,還具備故障自診斷功能,能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的缺陷問題,提升軟件程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。主程序啟動后按照一定的順序依次啟動各子程序。

圖5 控制系統(tǒng)主程序的主要工作流程Fig.5 Main work flow of the main program of the control system

4.2 主要子程序設(shè)計

(1)控制方式選擇子程序?？刂品绞竭x擇子程序的工作流程如圖6所示。由圖6可知,程序開始工作后,首先對PLC以及其他設(shè)備進(jìn)行自檢。若PLC存在故障,則只能進(jìn)行手動方式操作,若設(shè)備存在故障,則需要啟動檢修操作。若設(shè)備都能夠正常工作,則可以進(jìn)行操作方式選擇,共有遠(yuǎn)程方式、檢修方式和就地方式3種方式,滿足條件的情況下可以啟動對應(yīng)的操作。遠(yuǎn)程方式指在上位機(jī)上對帶式輸送機(jī)進(jìn)行控制,就地控制指在設(shè)備現(xiàn)場對帶式輸送機(jī)進(jìn)行控制。遠(yuǎn)程方式和就地方式可以進(jìn)一步分為手動操作方式和自動操作方式。多數(shù)情況下采用自動操作模式,系統(tǒng)按照設(shè)定的程序完成系列操作,保障設(shè)備的安全和可靠運(yùn)行。

圖6 控制方式選擇子程序的工作流程Fig.6 Workflow of control mode selection subroutine

(2)功率平衡控制子程序。帶式輸送機(jī)同時由3臺電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,如何保證各電機(jī)之間的功率平衡是需要解決的問題,這樣才能保證輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性,并提升電機(jī)的使用壽命。功率平衡控制子程序的工作流程如圖7所示。電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速是反映其功率的重要指標(biāo),該程序主要對各電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速值進(jìn)行測量,并對電機(jī)之間的檢測結(jié)果兩兩進(jìn)行比較。若兩者之間的差值超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值,則基于模糊控制算法依次計算得到電流和轉(zhuǎn)速的偏差及偏差變化率e和ec,并計算得到模糊化后的偏差及偏差變化率E和Ec,查模糊控制表后計算各電機(jī)理想的運(yùn)行頻率。

圖7 功率平衡控制子程序的工作流程Fig.7 Workflow of power balance control subroutine

(3)速度控制主程序。煤礦工作面實(shí)際工作時,受各方面因素影響,采煤機(jī)開采獲得的煤炭資源數(shù)量呈動態(tài)變化的特點(diǎn),即每時每刻的煤流量存在一定差異,那么帶式輸送機(jī)工作時的實(shí)際輸送煤流量也會不同。如果帶式輸送機(jī)的速度嚴(yán)格按照煤流量大小進(jìn)行調(diào)整,意味著控制系統(tǒng)需要不斷地對速度進(jìn)行調(diào)整控制,反而會影響輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。為了降低速度調(diào)整的頻次,本系統(tǒng)將煤流量劃分成若干個區(qū)間,當(dāng)煤流量一直處于同一區(qū)間時,不需要對速度進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)超過該區(qū)間后才考慮調(diào)整速度。當(dāng)煤流量超過系統(tǒng)設(shè)置的安全閾值時,會向外發(fā)出報警信號,并停機(jī)處理。速度控制子程序的工作流程如圖8所示。

圖8 速度控制子程序的工作流程Fig.8 Workflow of the speed control subroutine

5 控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用分析

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,根據(jù)本研究設(shè)計的整體方案,將其應(yīng)用到帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)取得了良好的效果。以下從節(jié)能效果和機(jī)械損耗兩個方面進(jìn)行分析。

5.1 節(jié)能效果方面

以某煤礦使用的帶式輸送機(jī)為例進(jìn)行分析,該礦井設(shè)計生產(chǎn)能力3.2 Mt/a。主斜井中使用的帶式輸送機(jī)長1 600 m、寬1.2 m,設(shè)計的煤礦運(yùn)輸量為800 t/h,最大工作傾角為6°,膠帶最大運(yùn)行速度為4 m/s。由3臺功率為250 kW的電機(jī)同時驅(qū)動,電機(jī)工作電壓為660 V。帶式輸送機(jī)每天工作18 h,每年工作300 d。根據(jù)以上數(shù)據(jù),假設(shè)煤礦按照設(shè)計的產(chǎn)量進(jìn)行生產(chǎn),則帶式輸送機(jī)全年平均的煤流量大小為593 t/h。設(shè)備實(shí)際的運(yùn)輸量為800 t/h,意味著設(shè)備存在26%左右的功率冗余。

未使用設(shè)計的控制系統(tǒng)時,帶式輸送機(jī)長時間以額定功率運(yùn)行。根據(jù)設(shè)備功率及運(yùn)行時間,可以計算得到帶式輸送機(jī)全年的耗電量為405萬kWh。

使用設(shè)計的控制系統(tǒng)以后,帶式輸送機(jī)可以根據(jù)實(shí)際煤流量對運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整控制,有效規(guī)避了電能浪費(fèi)問題,因此整體功耗出現(xiàn)了一定程度的降低。按年平均流量593 t/h進(jìn)行計算,可知帶式輸送機(jī)平均速度為3 m/s,3臺電機(jī)的實(shí)際平均功率只有550 kW?；谝陨蠑?shù)據(jù),可以計算得到使用控制系統(tǒng)后,帶式輸送機(jī)全年用電量為297萬kWh。

使用控制系統(tǒng)前后帶式輸送機(jī)的全年耗電量對比如圖9所示。由圖9可以看出,控制系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用,使得帶式輸送機(jī)的全年耗電量降低了108萬kWh,與未使用系統(tǒng)前相比較,降低幅度大約為27%。電費(fèi)按照0.65元/kWh進(jìn)行計算,則每年可以為企業(yè)節(jié)省的電費(fèi)為70.2萬元。

圖9 使用控制系統(tǒng)前后帶式輸送機(jī)的全年耗電量對比Fig.9 Comparison of annual power consumption of belt conveyors before and after using the control system

5.2 機(jī)械損耗分析

帶式輸送機(jī)未使用本控制系統(tǒng)前,長時間高速度運(yùn)轉(zhuǎn),不僅造成了大量電能浪費(fèi),還加速了機(jī)械零部件的磨損,加速設(shè)備老化,設(shè)備故障率居高不下,設(shè)備壽命縮短。使用本控制系統(tǒng)后,設(shè)備實(shí)際運(yùn)行速度可以根據(jù)輸送的煤流量進(jìn)行實(shí)時調(diào)整,意味著當(dāng)實(shí)際輸送的煤流量較小時,膠帶的運(yùn)行速度也非常小,由此帶來的設(shè)備損耗比較小。總體而言,控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用,使得帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性提升,設(shè)備故障率降低,每年可以為企業(yè)節(jié)省的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用大約為14.6萬元。

6 結(jié)論

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)利用傳感器檢測膠帶運(yùn)行速度及其煤流量,基于模糊控制算法分析兩者之間的偏差,通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對膠帶運(yùn)行速度的調(diào)整,確保運(yùn)行速度和煤流量相匹配,避免出現(xiàn)“大牛拉小車”的問題。PLC控制器、變頻器、電子膠帶秤和速度傳感器等是控制系統(tǒng)的重要硬件構(gòu)成部分,其型號分別為S7-1200、6ES71、ICS-ST和GSC4。軟件方面基于模塊化思想設(shè)計,由主程序和子程序構(gòu)成,主程序運(yùn)行是可以調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能,便于程序編寫和后期維護(hù)。將系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中,每年可以節(jié)省電費(fèi)70.2萬元,節(jié)省設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本14.6萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。