基于能耗優(yōu)化的礦井帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(jī)采掘得到的煤礦物料，需要通過(guò)帶式輸送機(jī)將其運(yùn)輸至指定位置或者礦井地面[1]。因此帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性對(duì)采煤效率有非常重要的影響。另外，帶式輸送機(jī)作為礦井中重要的機(jī)電設(shè)備，其運(yùn)行過(guò)程的能耗會(huì)對(duì)礦井整體經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重要影響[2]。目前很多礦井中使用的帶式輸送機(jī)都是以恒定的速度運(yùn)行[3]。但采煤過(guò)程存在間斷性的特點(diǎn)，有時(shí)采煤量較多，而有時(shí)采煤量則相對(duì)較少[4]。當(dāng)采煤量較少時(shí)，帶式輸送機(jī)如果仍然以相對(duì)較高的速度運(yùn)行，就會(huì)造成電力能源的浪費(fèi)，同時(shí)還會(huì)造成設(shè)備不必要的磨損，增加其維護(hù)保養(yǎng)成本[5-6]。基于此，有必要從節(jié)約能耗的角度出發(fā)建立控制系統(tǒng)，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有效控制，以達(dá)到節(jié)省能源的目的。

1 礦井帶式輸送機(jī)概述

如圖1所示為常用的礦用帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)原理圖。從圖中可以看出整個(gè)帶式輸送機(jī)由多個(gè)結(jié)構(gòu)件構(gòu)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(jī)正常工作過(guò)程中，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速器后作用在驅(qū)動(dòng)滾筒上，帶動(dòng)滾筒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。在摩擦力的作用下，驅(qū)動(dòng)滾筒可以帶動(dòng)皮帶做同步運(yùn)動(dòng)。而煤礦物料放置在皮帶上，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

圖1 礦用帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)原理圖

已有的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的能源消耗主要與兩個(gè)因素有關(guān)系，分別為運(yùn)行速度和運(yùn)輸?shù)拿旱V物料重量。帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿旱V物料重量越多、運(yùn)行速度越大，則對(duì)應(yīng)的能耗就越高。運(yùn)輸?shù)拿旱V物料重量不由帶式輸送機(jī)本身決定，而是根據(jù)礦井開(kāi)采實(shí)際需要發(fā)生變化。但帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度大小可以結(jié)合實(shí)際情況合理地調(diào)整與控制，使之與煤礦物料重量相匹配，從而達(dá)到節(jié)省能源的目的。本文主要以DTL140/32/110型帶式輸送機(jī)為例進(jìn)行介紹，該型號(hào)設(shè)備同時(shí)由3臺(tái)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2 基于能耗優(yōu)化的控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

結(jié)合煤礦實(shí)際情況，對(duì)DTL140/32/110型帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，基于能耗優(yōu)化的控制系統(tǒng)整體上由多個(gè)部分構(gòu)成。

圖2 基于能耗優(yōu)化的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)總體方案示意圖

2.2 控制系統(tǒng)各部分介紹

以下針對(duì)不同部分分別進(jìn)行簡(jiǎn)要概述：

1）上位機(jī)監(jiān)控部分。主要作用是對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以便工作人員了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；

2）PLC控制系統(tǒng)。內(nèi)置帶式輸送機(jī)速度控制算法，可以根據(jù)傳感器檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，判斷運(yùn)行速度是否合適，進(jìn)而輸出控制指令對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行控制；

3）變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。變頻器受到PLC控制器的控制，可以根據(jù)系統(tǒng)需要改變輸出的電壓頻率，進(jìn)而控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，變頻系統(tǒng)自帶有過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)載等多種保護(hù)，確保變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；

4）信號(hào)檢測(cè)設(shè)施。主要是各類傳感器和檢測(cè)裝置，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的速度、煤流量、電機(jī)電壓與電流等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將結(jié)果傳輸?shù)絇LC控制器中進(jìn)行分析；

5）通信系統(tǒng)。主要作用就是實(shí)現(xiàn)不同裝置之間數(shù)據(jù)信息和控制指令的交換。

3 控制系統(tǒng)主要硬件的設(shè)計(jì)

3.1 皮帶秤

皮帶稱的作用是對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿旱V物料重量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于本研究所述的控制系統(tǒng)是根據(jù)煤礦物料重量大小對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整與控制，因此皮帶秤的檢測(cè)精度對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果有重要影響。結(jié)合實(shí)際情況選用的皮帶稱型號(hào)為ICS-XB。在帶式輸送機(jī)輸送方向上共設(shè)置了三個(gè)皮帶稱，對(duì)煤礦物料重量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。基于連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜合分析帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)奈锪现亓俊?/p>

3.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)由多個(gè)硬件構(gòu)成，其中PLC控制器是最為關(guān)鍵的部分，其性能好壞直接決定了控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。如圖3所示為PLC控制系統(tǒng)涉及的主要硬件設(shè)施。結(jié)合實(shí)際情況。本系統(tǒng)中選用的PLC控制器為西門子公司研制生產(chǎn)的S7-1214C型號(hào)，該型號(hào)處理器為32位處理器，性能優(yōu)越，且為本質(zhì)安全型控制器，完全能夠滿足礦井復(fù)雜的工作環(huán)境。另外，控制器可以同時(shí)接受模擬量和數(shù)字量信號(hào)的輸入，意味著通過(guò)傳感器檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息，無(wú)需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換即可直接傳輸至PLC控制器中進(jìn)行分析處理，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖3 PLC控制系統(tǒng)涉及的主要硬件設(shè)施

3.3 變頻器

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，為每臺(tái)電機(jī)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(chǎn)研制，具體型號(hào)為6ES71，如圖4所示為變頻器的基本工作原理結(jié)構(gòu)圖。變頻器的作用是將供電系統(tǒng)中的恒定電壓和頻率轉(zhuǎn)變成為想要的電壓和頻率大小。但在實(shí)踐中，由于變頻器需要對(duì)電路中的電壓和頻率大小進(jìn)行調(diào)整，容易產(chǎn)生諧波問(wèn)題，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性造成影響。但6ES71型變頻器采用的調(diào)頻方式可以很好地規(guī)避上述問(wèn)題，為提升功率因素奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 變頻器的基本工作原理結(jié)構(gòu)圖

4 控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用效果分析

將基于能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦開(kāi)采實(shí)踐中，進(jìn)行連續(xù)測(cè)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)取得了很好的應(yīng)用效果，每年為礦井創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。以下對(duì)該控制系統(tǒng)產(chǎn)生的效益進(jìn)行定量分析。

本文所述的DTL140/32/110型帶式輸送機(jī)同時(shí)通過(guò)三臺(tái)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)的功率大小為250 kW，正常工作時(shí)的運(yùn)行速度為4 m/s。假設(shè)帶式輸送機(jī)每年運(yùn)行時(shí)間為300 d，每天運(yùn)行時(shí)間為18 h。在沒(méi)有使用能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)前，帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)始終以最大功率工作，那么該型號(hào)帶式輸送機(jī)每年需要消耗的電能為4.05×106kWh。而使用基于能耗優(yōu)化的控制系統(tǒng)后，帶式輸送機(jī)可以根據(jù)其運(yùn)輸?shù)拿旱V物料重量大小對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此其整體運(yùn)行速度有所降低，經(jīng)過(guò)連續(xù)三個(gè)月的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)平均的運(yùn)行速度為3 m/s，對(duì)應(yīng)的三臺(tái)電機(jī)總體功率為550 kW。在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算得到相同運(yùn)行時(shí)間情況下，對(duì)應(yīng)的能耗為2.97×106kWh。可以看出，通過(guò)使用控制系統(tǒng)使帶式輸送機(jī)每年消耗的電能降低了1.08×106kWh，產(chǎn)生的節(jié)能降耗效果顯著。另外，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的降低，意味著設(shè)備損耗降低。初步估算，通過(guò)該控制系統(tǒng)的應(yīng)用每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省約14萬(wàn)元的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

5 結(jié)論

1）控制系統(tǒng)通過(guò)速度傳感器和皮帶秤分別對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度和運(yùn)輸煤礦重量進(jìn)行檢測(cè)，PLC控制器根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)速度大小進(jìn)行控制；

2）電子秤、PLC控制器和變頻器的型號(hào)分別為ICS-XB、S7-1214C和6ES71，均為本質(zhì)安全型設(shè)備，能夠滿足礦井復(fù)雜工作環(huán)境；

3）將該控制系統(tǒng)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)中，經(jīng)初步估算每年可以節(jié)省1.08×106kWh的電量和14萬(wàn)元左右的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。