基于能耗優化的礦井帶式輸送機控制系統設計與應用

寇振捷

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

引言

礦井利用采煤機采掘得到的煤礦物料，需要通過帶式輸送機將其運輸至指定位置或者礦井地面[1]。因此帶式輸送機運行過程的穩定性對采煤效率有非常重要的影響。另外，帶式輸送機作為礦井中重要的機電設備，其運行過程的能耗會對礦井整體經濟效益產生重要影響[2]。目前很多礦井中使用的帶式輸送機都是以恒定的速度運行[3]。但采煤過程存在間斷性的特點，有時采煤量較多，而有時采煤量則相對較少[4]。當采煤量較少時，帶式輸送機如果仍然以相對較高的速度運行，就會造成電力能源的浪費，同時還會造成設備不必要的磨損，增加其維護保養成本[5-6]。基于此，有必要從節約能耗的角度出發建立控制系統，對帶式輸送機運行過程進行有效控制，以達到節省能源的目的。

1 礦井帶式輸送機概述

如圖1所示為常用的礦用帶式輸送機整體結構原理圖。從圖中可以看出整個帶式輸送機由多個結構件構成。其中，張緊裝置的作用是保證皮帶具有一定的張力，使之與滾筒、托輥之間保持緊密接觸。帶式輸送機正常工作過程中，由驅動電機輸出的動力經過減速器后作用在驅動滾筒上，帶動滾筒做旋轉運行。在摩擦力的作用下，驅動滾筒可以帶動皮帶做同步運動。而煤礦物料放置在皮帶上，從而實現運輸的目的。

圖1 礦用帶式輸送機整體結構原理圖

已有的理論和實踐經驗表明，帶式輸送機運行過程中的能源消耗主要與兩個因素有關系，分別為運行速度和運輸的煤礦物料重量。帶式輸送機運輸的煤礦物料重量越多、運行速度越大，則對應的能耗就越高。運輸的煤礦物料重量不由帶式輸送機本身決定，而是根據礦井開采實際需要發生變化。但帶式輸送機運行速度大小可以結合實際情況合理地調整與控制，使之與煤礦物料重量相匹配，從而達到節省能源的目的。本文主要以DTL140/32/110型帶式輸送機為例進行介紹，該型號設備同時由3臺電機進行驅動。

2 基于能耗優化的控制系統總體方案設計

2.1 控制系統總體方案

結合煤礦實際情況，對DTL140/32/110型帶式輸送機的控制系統進行了設計研究，結果如圖2所示。從圖中可以看出，基于能耗優化的控制系統整體上由多個部分構成。

圖2 基于能耗優化的帶式輸送機控制系統總體方案示意圖

2.2 控制系統各部分介紹

以下針對不同部分分別進行簡要概述：

1）上位機監控部分。主要作用是對帶式輸送機實際運行過程中的主要技術參數進行實時顯示，以便工作人員了解設備運行狀態；

2）PLC控制系統。內置帶式輸送機速度控制算法，可以根據傳感器檢測得到的數據對帶式輸送機的運行狀態進行分析，判斷運行速度是否合適，進而輸出控制指令對運行速度進行控制；

3）變頻驅動系統。變頻器受到PLC控制器的控制，可以根據系統需要改變輸出的電壓頻率，進而控制電機輸出轉速，變頻系統自帶有過電壓、欠電壓、過載等多種保護，確保變頻驅動系統的穩定運行；

4）信號檢測設施。主要是各類傳感器和檢測裝置，對帶式輸送機運行過程中的速度、煤流量、電機電壓與電流等信號進行實時監測，并將結果傳輸到PLC控制器中進行分析；

5）通信系統。主要作用就是實現不同裝置之間數據信息和控制指令的交換。

3 控制系統主要硬件的設計

3.1 皮帶秤

皮帶稱的作用是對帶式輸送機運輸的煤礦物料重量進行實時檢測。由于本研究所述的控制系統是根據煤礦物料重量大小對速度進行調整與控制，因此皮帶秤的檢測精度對控制系統運行效果有重要影響。結合實際情況選用的皮帶稱型號為ICS-XB。在帶式輸送機輸送方向上共設置了三個皮帶稱，對煤礦物料重量進行連續監測。基于連續監測結果，綜合分析帶式輸送機運輸的物料重量。

3.2 PLC控制系統

PLC控制系統由多個硬件構成，其中PLC控制器是最為關鍵的部分，其性能好壞直接決定了控制系統的性能優劣。如圖3所示為PLC控制系統涉及的主要硬件設施。結合實際情況。本系統中選用的PLC控制器為西門子公司研制生產的S7-1214C型號，該型號處理器為32位處理器，性能優越，且為本質安全型控制器，完全能夠滿足礦井復雜的工作環境。另外，控制器可以同時接受模擬量和數字量信號的輸入，意味著通過傳感器檢測得到的數據信息，無需經過轉換即可直接傳輸至PLC控制器中進行分析處理，大大簡化了控制系統的結構。

圖3 PLC控制系統涉及的主要硬件設施

3.3 變頻器

設計的控制系統中，為每臺電機配備了專門的變頻器，選用的變頻器同樣由西門子公司生產研制，具體型號為6ES71，如圖4所示為變頻器的基本工作原理結構圖。變頻器的作用是將供電系統中的恒定電壓和頻率轉變成為想要的電壓和頻率大小。但在實踐中，由于變頻器需要對電路中的電壓和頻率大小進行調整，容易產生諧波問題，對供電網絡的穩定性造成影響。但6ES71型變頻器采用的調頻方式可以很好地規避上述問題，為提升功率因素奠定了良好的基礎。

圖4 變頻器的基本工作原理結構圖

4 控制系統的實踐應用效果分析

將基于能耗優化設計的帶式輸送機控制系統應用到煤礦開采實踐中，進行連續測驗后發現取得了很好的應用效果，每年為礦井創造了很好的經濟效益。以下對該控制系統產生的效益進行定量分析。

本文所述的DTL140/32/110型帶式輸送機同時通過三臺電機進行驅動，每臺電機的功率大小為250 kW，正常工作時的運行速度為4 m/s。假設帶式輸送機每年運行時間為300 d，每天運行時間為18 h。在沒有使用能耗優化控制系統前，帶式輸送機運行時始終以最大功率工作，那么該型號帶式輸送機每年需要消耗的電能為4.05×106kWh。而使用基于能耗優化的控制系統后，帶式輸送機可以根據其運輸的煤礦物料重量大小對其運行速度進行調節與控制。因此其整體運行速度有所降低，經過連續三個月的測試，發現帶式輸送機平均的運行速度為3 m/s，對應的三臺電機總體功率為550 kW。在此基礎上可以計算得到相同運行時間情況下，對應的能耗為2.97×106kWh。可以看出，通過使用控制系統使帶式輸送機每年消耗的電能降低了1.08×106kWh，產生的節能降耗效果顯著。另外，帶式輸送機運行速度的降低，意味著設備損耗降低。初步估算，通過該控制系統的應用每年可以為煤礦企業節省約14萬元的維護保養費用。

5 結論

1）控制系統通過速度傳感器和皮帶秤分別對帶式輸送機的運行速度和運輸煤礦重量進行檢測，PLC控制器根據檢測結果對速度大小進行控制；

2）電子秤、PLC控制器和變頻器的型號分別為ICS-XB、S7-1214C和6ES71，均為本質安全型設備，能夠滿足礦井復雜工作環境；

3）將該控制系統應用到帶式輸送機中，經初步估算每年可以節省1.08×106kWh的電量和14萬元左右的維護保養費用。