帶式輸送機節能控制系統的設計及應用

趙云龍

（陽煤寺家莊有限責任公司， 山西 晉中 030600）

引言

采煤機、刮板輸送機、帶式輸送機以及液壓支架、液壓泵站等作為綜采工作面的大型機電設備，其運行穩定性、可靠性直接決定綜采工作面煤炭的開采效率，各個設備的節能效果將從根本上降低整個煤礦的耗能。帶式輸送機作為工作面的運輸設備，其主要承擔物料、設備的運輸任務[1]。在實際生產中，傳統帶式輸送機采用開環控制方式，導致其無法根據輸送帶上的負載及時調整其帶速，尤其在輸送帶空載時設備仍以高速運轉，從而造成大量電能的浪費。因此，急需設計一款節能控制系統，為降低煤礦企業的生產成本提供基礎。

1 帶式輸送機結構

帶式輸送機結構組成如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機結構示意圖

如圖1 所示，帶式輸送機主要由驅動滾筒、上托輥、下托輥、中間架、張緊裝置、改向滾筒等組成[2]。帶式輸送機通過驅動裝置提供驅動滾筒與輸送帶之間的摩擦力，從而實現帶式輸送機的連續運行。

目前，應用于帶式輸送機輸送帶的主要類型為橡膠帶和塑料帶。

帶式輸送機的托輥主要包括有緩沖托輥、調心托輥、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輸送帶的沖擊力；調心托輥的主要是當輸送帶跑偏時對其進行糾偏操作；槽形托輥主要用于運輸散粒物料。

根據滾筒的安裝位置分為驅動滾筒和改向滾筒。張緊裝置的主要作用是根據實際工況為輸送帶提供一定的張緊力，避免帶式輸送機出現打滑的事故[3]。

2 帶式輸送機節能控制的理論基礎

經研究可知，帶式輸送機運量和帶速是影響輸送機功率的主要因素。在實際生產中帶輸送機帶速并不能夠根據其實時運量進行調節已達到最節能的效果。為此，設計如式（1）所示的節能策略。

式中：Q為帶式輸送機的運量；v為帶式輸送機的運行速度；qm為煤炭的線密度。

在實際情況中帶式輸送機不可能頻繁啟停，因此設定當其運量為0 時，帶式輸送機以最小的速度運行。可得出如圖2 所示的運量與運速之間的關系曲線。

圖2 帶式輸送機運量與運速的關系曲線

綜上所述，基于上述運速與運量相匹配的思想設計帶式輸送機的節能控制系統，不僅能夠提升帶式輸送機輸送效率，還能夠降低帶式輸送機的能耗。

3 帶式輸送機節能控制系統的設計

基于帶式輸送機運速與運量相匹配的設計思路，采用變頻技術實現帶式輸送機運速隨著其運量及工況實時調節的目的。為進一步提升節能控制系統的可靠性，本系統采用冗余設計技術，即采用工控機實時監控和PLC 控制相結合的控制方式，實現帶式輸送機的變頻節能控制，可滿足實際生產中的緊急停車、故障保護以及智能監控等功能[4]。本節著重對帶式輸送機節能控制系統的硬件和軟件設計。

3.1 硬件設計

3.1.1 PLC 控制柜的設計

該節能控制系統所采用的核心控制器PLC 的廠家型號為AB 公司的ConrtrolLogix5000 系列PLC。為提升節能控制系統的可靠性，PLC 控制器采用雙CPU 冗余系統。其中，一臺CPU 主要對所有設備的啟停進行控制；另一臺CPU 的主要功能是對帶式輸送機的運行狀態進行監視，一旦發現現場生產中有事故發生立即實現功能切換，確保整個節能控制系統的正常運行[5]。PLC 控制柜內的雙冗余系統現場圖如圖3 所示。

3.1.2 輸送帶保護裝置的選型設計

輸送帶保護裝置可避免帶輸送機出現故障后對設備造成更深的損害。該系統所選用的輸送帶保護裝置為天津華寧KTC010 保護裝置，該保護裝置能夠實現對帶式輸送機的跑偏保護、打滑保護、堆煤保護以及撕裂保護。KTC010 保護裝置能夠實現與上位機監控系統的實時通信，實現數據的實時共享。

3.1.3 變頻驅動系統的設計

關于變頻驅動系統的硬件設計核心為對變頻器的選型。變頻器選型時需綜合考慮帶式輸送機電氣控制系統中三相異步電動機的額定功率和要求帶式輸送機遇到載荷突變的工況時能夠實現低頻轉矩提升的能力。

在調研市場并在結合以往設計經驗的基礎上，選擇西門子公司的5HK62-5B 為該節能控制系統的變頻器。

3.2 軟件設計

帶輸送機節能控制系統的軟件設計是根據節能控制系統的控制思路基于 AB 公司的ConrtrolLogix5000 系列的編程軟件完成該系統的軟件編寫。

目前，應用于工業生產中控制算法包括有PID控制算法、模糊控制算法以及自適應控制算法等。其中，PID 控制算法主要應用于線性控制系統；模糊控制算法主要應用非線性控制算法。因此，本節能控制系統采用模糊控制算法。帶式輸送機節能控制系統的模糊控制原理如圖4 所示。

如圖4 所示，節能控制系統對輸送帶的運速進行實時監視，并將監視所得結果通過模糊控制器傳入PLC 控制器中，根據PLC 控制器中所存儲的模糊控制算法對比當前的帶速是否與實時載荷相匹配。若帶速與運量不匹配，系統立即控制變頻器完成對帶式輸送機電機的頻率的控制，從而實現了對帶速的調整。

4 帶式輸送機節能控制系統的應用

將所設計的節能控制系統應用于寺家莊煤礦工作面帶式輸送機的控制中。該煤礦的主要參數如下：

煤礦年產量M為5 Mt；帶式輸送機的正常運行速度為4.5 m/s；帶輸送機電機的額定電壓為6 kV，額定功率為1 400 kW，電機的數量為3 臺。該煤礦的生產制度為：每年生產工作日天數為300 d，每天生產時長t為18 h。

4.1 改造前耗電量

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

4.2 改造后耗電量

根據模糊控制算法，當帶式輸送機的運量為926 t/h 時，其對應的最佳帶速為2.13 m/s。則，此時對應的帶式輸送機的工作功率為1 400×2.13/4.5=663 kW。則，節能控制系統應用后的耗電量為：W2=3臺×663 kW/臺×18 h/d×300 d=10 740 600 kWh。

經計算，每年可節約電能W=W1-W2=11 939 400 kWh，節能效率可達52.64%。

5 結語

帶式輸送機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，由于傳統控制系統的局限性無法實現帶速與運量相匹配的控制，造成了工作面電能極大的浪費。將模糊控制算法、變頻控制技術以及PLC 控制器等有機結合設計出一款節能控制系統，并將該系統應用實際生產中達到52.64%的節能效果。