煤礦帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

宮韶華

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭作為我國重要的能源之一，近年來的需求量越來越大，煤炭掘進(jìn)工作量逐年增加，對(duì)傳統(tǒng)煤炭掘進(jìn)設(shè)備的安全性、可靠性、高效低耗等提出了更高的要求[1-2]。帶式輸送機(jī)作為煤炭掘進(jìn)工作的關(guān)鍵設(shè)備，工作時(shí)間長、服役環(huán)境極為惡劣，能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)乎煤炭企業(yè)的產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)利益[3]。目前帶式輸送機(jī)多采用變頻調(diào)速模式已實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的效果，既能降低帶式輸送機(jī)電能的浪費(fèi)，還能減小帶式輸送機(jī)的空載運(yùn)轉(zhuǎn)磨損[4-6]。因此，針對(duì)我國傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)能耗高、效率低的問題，開展帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 帶式輸送機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

帶式輸送機(jī)最先起源于美國，至今已超過一個(gè)半世紀(jì)，具有很長的發(fā)展歷程。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能越來越完善，技術(shù)成熟度越來越高。帶式輸送機(jī)作為煤炭掘進(jìn)工作的重要輸送設(shè)備，逐漸向多元化發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣，具有連續(xù)輸送、自動(dòng)控制、載重量大等優(yōu)點(diǎn)。就目前情況來看，國外的帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)8~12 m/s，驅(qū)動(dòng)功率高達(dá)10 100 kW，能源效果低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)的帶式輸送機(jī)。同時(shí)，國外的帶式輸送機(jī)在技術(shù)上越來越先進(jìn)，尤其是先進(jìn)的控制技術(shù)，運(yùn)行可靠性很好。為了縮小國內(nèi)帶式輸送機(jī)與國外相同產(chǎn)品的差距，有必要開展帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于某型號(hào)帶式輸送機(jī)完成了能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，如圖1所示，系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)行保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)測通信系統(tǒng)組成。系統(tǒng)能夠根據(jù)帶輸送機(jī)煤流量的大小實(shí)時(shí)調(diào)整帶速，使其運(yùn)行在功率最低的狀態(tài)；保護(hù)系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常可以自動(dòng)停機(jī)，保護(hù)帶式輸送機(jī)不被破壞；系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓、電流等，將采集得到的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)顯示在上位機(jī)供監(jiān)控人員及時(shí)獲取帶式輸送機(jī)的運(yùn)行信息；當(dāng)帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警，給出故障可能出現(xiàn)的位置，指導(dǎo)運(yùn)維人員及時(shí)排除故障，保證帶式輸送機(jī)的可靠運(yùn)行。

圖1 能耗控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 控制器PLC

能耗控制系統(tǒng)的核心控制部件選擇PLC，其具有很好的環(huán)境適應(yīng)性和工作可靠性，適合于煤炭井下工作的環(huán)境和要求。PLC各個(gè)模塊的配置如下：主控制器的型號(hào)為S7-1214C DC/DC/DC，由24 V直流電源供電，具有多種通訊接口可用；選擇PM1207電源模塊，其輸入交流電壓為120/230 V，輸出直流電壓為24 V；數(shù)字量輸入由SM1221完成，能夠?qū)崟r(shí)接收現(xiàn)場采集的信號(hào)并傳輸至CPU；模擬量輸入由SM1231完成，包含中斷與診斷功能，可用于監(jiān)視斷線故障和電源電壓；通信模塊為CM1243-5，支持16個(gè)PROFIBUS DP從站，CM1241（RS422/485）通訊模塊支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信并可擴(kuò)展。

3.1.2 變頻器

系統(tǒng)變頻器的基本結(jié)構(gòu)采用交-直-交模式，其主回路主要包括整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。能耗控制系統(tǒng)中的變頻器使用二極管整流和PWM逆變器調(diào)整電壓和頻率，本能耗控制系統(tǒng)的變頻調(diào)速使用U/f恒定控制，該控制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是電源頻率在變化的同時(shí)電壓也隨之變化，變化的過程中電源頻率與電源電壓的比值保持恒定不變。

3.1.3 保護(hù)系統(tǒng)

服役中的帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)配置了通訊接口，具有與主控制器實(shí)時(shí)通訊的功能，整個(gè)能耗控制系統(tǒng)中的傳感器信號(hào)均傳輸至保護(hù)系統(tǒng)，整理匯總之后集中發(fā)出，將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸至PLC主站進(jìn)行處理。PLC處理之后的信息傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警指令，保護(hù)帶式輸送機(jī)的安全。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序

帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)主程序控制流程如圖2所示，負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個(gè)子程序的調(diào)用工作，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和管理目的。主程序執(zhí)行之后順序進(jìn)行輸入信號(hào)處理、控制方式選擇、帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)輸過程中能耗優(yōu)化控制策略、帶式輸送機(jī)停車等子程序，當(dāng)運(yùn)輸過程中能耗優(yōu)化控制時(shí)出現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)異常時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，以便保護(hù)帶式輸送機(jī)的安全，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)排除故障，恢復(fù)帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行。

圖2 能耗控制系統(tǒng)主程序流程圖

3.2.2 能耗控制程序

帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的煤炭流量時(shí)刻變化，要是反反復(fù)復(fù)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行情況不僅會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)算量，還不利于輸送機(jī)的節(jié)能降耗，故而將帶式輸送機(jī)運(yùn)行是的煤炭量波動(dòng)劃分為多個(gè)區(qū)間進(jìn)行控制，如[Q1，Q2]、[Q2，Q3]、[Qn-1，Qn]，設(shè)置對(duì)應(yīng)的皮帶轉(zhuǎn)速，帶式輸送機(jī)可以根據(jù)煤炭流量自動(dòng)確定運(yùn)轉(zhuǎn)速度，達(dá)到降低能耗的目的。為了防止煤流量擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)造成誤動(dòng)作，在煤流量變化時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行判別，如圖3所示。

圖3 能耗控制系統(tǒng)工作程序

3.2.3 保護(hù)系統(tǒng)程序

帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)中的保護(hù)功能是由PLC和KT101型綜合保護(hù)控制器實(shí)現(xiàn)，其控制流程如圖4所示。圖4中標(biāo)注的v1和v2分別代表驅(qū)動(dòng)滾筒和皮帶的轉(zhuǎn)速。當(dāng)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)程序順序運(yùn)行，一旦出現(xiàn)皮帶打滑情況，馬上開啟溫度檢測，當(dāng)檢測得到的溫度超過限定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出打滑報(bào)警或者保護(hù)停機(jī)，與此同時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)噴水裝置進(jìn)行冷卻降溫；當(dāng)輸送帶出現(xiàn)高溫超限時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行煙霧檢測，當(dāng)煙霧檢測數(shù)值超限時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)火災(zāi)報(bào)警或者保護(hù)停機(jī)，與此同時(shí)，啟動(dòng)灑水裝置。保護(hù)系統(tǒng)的存在，減少帶式輸送機(jī)的誤操作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 保護(hù)系統(tǒng)工作程序

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)的可行性，將其應(yīng)用于服役中的某型號(hào)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄運(yùn)行情況。結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速控制的功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，能耗控制系統(tǒng)的投入使用，降低了帶式輸送機(jī)近12%的故障排查時(shí)間，減少了2~3名設(shè)備維護(hù)維修人員，提高了近10%的設(shè)備利用率，節(jié)約了帶式輸送機(jī)運(yùn)行電能消耗近8%，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。