礦用帶式輸送機(jī)速度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐 *

李林浩

(山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

0 引 言

已有的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，煤炭資源在我國一次能源消費(fèi)中所占比例達(dá)到了30%左右，隨著煤炭開采技術(shù)水平的不斷提升，對煤礦開采技術(shù)的智能化要求也越來越高[3]。帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中重要的運(yùn)輸設(shè)備[4]，設(shè)計(jì)研究其速度智能化控制系統(tǒng)，能夠顯著提升整個(gè)煤礦的智能化水平，為煤礦開采效率的進(jìn)一步提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5-6]。筆者主要以煤礦中使用的DTL120/80/2×160型帶式輸送機(jī)為例，設(shè)計(jì)研究了帶式輸送機(jī)速度智能控制系統(tǒng)。對于提升煤礦的智能化水平具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 帶式輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及其工作原理

圖1所示為DTL120/80/2×160型帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，帶式輸送機(jī)主要由電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、滾筒與托輥、皮帶、清掃裝置等部分構(gòu)成。電機(jī)主要提供設(shè)備的動(dòng)力來源，該型號(hào)帶式輸送機(jī)由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)的額定功率為160 kW，正常情況下皮帶的運(yùn)行速度為2.5 m/s。清掃裝置的作用是及時(shí)對灑落的煤礦物料進(jìn)行清理，避免煤礦粘到滾筒和托輥上，對皮帶造成磨損。帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)，電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過減速器后傳輸至驅(qū)動(dòng)滾筒，驅(qū)動(dòng)滾筒通過摩擦力帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，煤礦物料放置在皮帶上隨之一起運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到運(yùn)輸煤礦物料的效果。

圖1 DTL50/10/30型帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

以往的帶式輸送機(jī)工作時(shí)只能以恒定的速度運(yùn)行，當(dāng)帶式輸送機(jī)輸送的煤礦物料重量較小時(shí)，就會(huì)造成電能浪費(fèi)的現(xiàn)象。與當(dāng)前國家大力宣揚(yáng)的節(jié)能減排政策相違背。基于此，有必要設(shè)計(jì)研究智能化控制系統(tǒng)，對帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行智能化控制，使其運(yùn)行速度能根據(jù)輸送煤礦物料多少進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低帶式輸送機(jī)的電能消耗，同時(shí)減小設(shè)備的磨損。

2 速度智能控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

圖2所示為設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)速度智能控制系統(tǒng)原理示意圖。從圖中可以看出，速度智能控制系統(tǒng)除帶式輸送機(jī)本身外，還有PLC控制器、攝像機(jī)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、變頻器等設(shè)施或裝備。帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)，通過速度傳感器對其運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)控，利用攝像頭和視頻監(jiān)控系統(tǒng)對輸送的煤礦物料多少進(jìn)行檢測。將上述兩項(xiàng)監(jiān)測結(jié)果輸入到PLC控制器中進(jìn)行比較分析，主要有三種結(jié)果：第一，運(yùn)行速度與煤礦物料體積相匹配，此時(shí)PLC控制器無需做特殊處理，繼續(xù)監(jiān)控；第二，運(yùn)行速度較低，而煤礦物料體積相對較多，PLC控制器下達(dá)指令提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度；第三，運(yùn)行速度較高，而煤礦物料體積相對較少，PLC控制器下達(dá)指令降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度。如此以往，可以保證帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度與其運(yùn)輸?shù)拿旱V物量體積保持動(dòng)態(tài)匹配。在滿足基本運(yùn)輸需求的情況，盡可能將帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度控制在相對較低的水平，以降低設(shè)備的電能消耗以及運(yùn)行過程中產(chǎn)生的磨損問題。

圖2 帶式輸送機(jī)速度智能控制系統(tǒng)原理示意圖

2.2 煤礦物料體積檢測基本原理

速度智能控制系統(tǒng)需要利用攝像機(jī)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)對皮帶上的煤礦物料體積大小進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。為了提升攝像機(jī)的取像效果，需要在攝像機(jī)旁邊專門設(shè)置一個(gè)LED燈源。圖3所示為皮帶上煤礦物料體積檢測基本原理示意圖。攝像機(jī)以一定的頻率對皮帶指定位置進(jìn)行拍照，并傳輸至視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的算法對照片中煤礦物料寬度進(jìn)行分析。煤炭物料寬度與整個(gè)皮帶的寬度之間的比值，能夠很好地反映其體積大小。

圖3 皮帶上煤礦物料體積檢測基本原理示意圖

3 速度智能控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

速度智能控制系統(tǒng)涉及的硬件有很多，以下主要對關(guān)鍵的PLC控制器、攝像機(jī)、變頻器等硬件設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 PLC控制器

對于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，PLC控制器需要根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度以及煤礦物料體積進(jìn)行比較分析，其性能好壞直接決定了速度智能控制系統(tǒng)運(yùn)行的效能。在充分考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，選用S7-300型PLC控制器，該控制器由西門子公司研制生產(chǎn)，在煤礦行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。S7-300型PLC控制器為32位控制器，整體運(yùn)行性能較好，完全能夠滿足本控制系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。最重要的是速度傳感器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)輸出的信號(hào)可以直接傳入到PLC控制器中進(jìn)行分析和處理，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

3.2 變頻器

文中所述帶式輸送機(jī)有兩臺(tái)電機(jī)，對每臺(tái)電機(jī)分別配備有一臺(tái)變頻器。控制系統(tǒng)中選用的變頻器型號(hào)為KXJT-90，為國產(chǎn)變頻器，能夠滿足煤礦復(fù)雜的工作環(huán)境要求。通過變頻器可以將50 Hz的交流電壓轉(zhuǎn)換成為10～60 Hz的交流電壓。變頻器工作時(shí)接受PLC控制器的指令，按照指令要求輸出對應(yīng)頻率的交流電壓，以達(dá)到對帶式輸送機(jī)電機(jī)速度進(jìn)行控制的目的。

3.3 攝像機(jī)

由于煤礦工作環(huán)境復(fù)雜，選用的攝像機(jī)必須為本質(zhì)安全型，結(jié)合實(shí)際情況最終選用的攝像機(jī)型號(hào)為KBA127。利用該型號(hào)攝像機(jī)拍攝得到的照片像素大小為1920×1080，分辨率率非常高，為煤礦物料體積的檢測奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 速度智能控制系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用效果分析

將設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)速度智能控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，對其進(jìn)行連續(xù)30天的監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)帶式輸送機(jī)每天運(yùn)行的時(shí)長，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，帶式輸送機(jī)每天運(yùn)行時(shí)長存在差異，主要分布在10～15 h范圍內(nèi)。由此可見煤礦開采過程的不連續(xù)性，即不同時(shí)間段采煤重量存在一定程度的差異。對帶式輸送機(jī)連續(xù)30天的開機(jī)時(shí)長求平均值，結(jié)果為12.6 h。

圖4 帶式輸送機(jī)每日運(yùn)行時(shí)長

假設(shè)帶式輸送機(jī)每年正常運(yùn)行天數(shù)為330 d，每天運(yùn)行時(shí)間按12.6 h計(jì)算。沒有使用速度智能控制系統(tǒng)前，帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)始終以額定功率運(yùn)行，兩部電機(jī)總功率為320 kW，則每年消耗的電能為1.33×106kWh。使用速度智能控制系統(tǒng)后，帶式輸送機(jī)可以根據(jù)其運(yùn)輸?shù)拿旱V物料多少對速度進(jìn)行智能化控制。意味著帶式輸送機(jī)并非始終以額定功率運(yùn)行，工作時(shí)平均運(yùn)行速度按2 m/s計(jì)算，則帶式輸送機(jī)工作時(shí)的平均功率大小為額定功率的80%，即204.8 kW。那么在運(yùn)行時(shí)間相同的情況下，帶式輸送機(jī)每年消耗的電能為0.85×106kWh。可以看出，通過使用速度智能控制系統(tǒng)，DTL120/80/2×160型帶式輸送機(jī)每年可以節(jié)省電能0.48×106kWh。工業(yè)用電平均價(jià)格按0.75元/kWh計(jì)算，那么每年可以節(jié)省的電能費(fèi)用為36萬元。

5 結(jié) 論

以DTL120/80/2×160型帶式輸送機(jī)為例，對其速度智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，所得結(jié)論主要有：①利用速度傳感器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)分別對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度和輸送煤礦物料體積進(jìn)行檢測，并分析兩者之間的匹配程度，在此基礎(chǔ)上對運(yùn)行速度進(jìn)行智能控制；②PLC控制器、攝像機(jī)、變頻器的型號(hào)分別為S7-300、KBA127、KXJT-90，均為本質(zhì)安全型設(shè)備，可以滿足系統(tǒng)使用需要；③將速度智能控制系統(tǒng)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)中，進(jìn)行了連續(xù)30天的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)取得了很好的應(yīng)用效果，經(jīng)過初步估算，此臺(tái)帶式輸送機(jī)每年可以節(jié)省36萬元的電費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。