礦井帶式輸送機能耗優化控制系統設計與應用

張志強

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

引言

隨著經濟和社會的發展，煤炭資源需求量不斷增加，煤炭掘進工作量逐年提高[1]。帶式輸送機作為煤炭生產過程中的重要設備，其工作環境極為復雜，并且帶式輸送機運行過程中載荷波動較大，存在輸送量降低，輸送機高速運轉的情況，導致煤礦生產電能的浪費，加大了帶式輸送機的磨損[2-4]。近年來，按照推行節能降耗、資源綜合利用、可持續發展的政策要求，帶式輸送機具有運行時間長，負載、能耗大等特點[5-6]。因此開展能耗優化控制系統的設計工作對于降低煤礦生產成本，建設資源節約型和生態環境友好型煤炭企業意義重大。

1 帶式輸送機的總體結構

帶式輸送機的主要運動部件包括驅動滾筒、從動滾筒和皮帶等部件，通過皮帶的閉環旋轉，實現物料的輸送功能。如圖1所示為礦用皮帶輸送機結構簡圖，包括機架、驅動裝置、輸送帶、張緊裝置等，其中機架用于支撐皮帶輸送機結構，保持固定的位置；驅動裝置主要包括驅動電機、聯軸器、減速器、制動器等，固定于機架為皮帶的連續運轉提供動力；輸送帶主要負責煤炭的傳輸與承載；張緊裝置用于滾筒與皮帶之間的張緊，保持足夠的摩擦力；其余組成部件主要配合煤炭輸送功能的實現。

圖1 帶式輸送機結構簡圖

2 總體方案設計

基于帶式輸送機能耗優化設計需求，完成了控制系統總體方案，如圖2所示。其中PLC控制系統對監測數據進行分析與處理，根據實際采集得到的數據發出控制信號；變頻驅動系統的作用是對帶式輸送機進行過載保護、欠壓保護、隔離變壓器等，確保控制系統的安全可靠運行；上位機監控系統主要實時顯示監控系統的各個參數采集數值，供監控人員及時掌握皮帶輸送機運行情況；信號監控裝置主要完成皮帶輸送機電壓、電流、溫度等信號的監測采集。

圖2 控制系統總體方案

3 系統詳細設計

3.1 硬件設計

3.1.1 控制器PLC

PLC作為帶式輸送機能耗優化控制系統中的核心部件，其運行的穩定性和可靠性至關重要。基于PLC核心控制器設計的控制系統結構如下頁圖3所示。由下頁圖3可以看出，帶式輸送機能耗優化控制系統正常運行時由上位機向PLC發送控制信號，之后PLC進行信號的分析處理發出變頻器控制信號控制驅動電機，完成帶式輸送機的節能運行控制。系統中配置的速度傳感器、電子皮帶秤、保護傳感器等監測元件采集得到的相關數據信息，會同變頻器和驅動電機的運行參數，一并傳輸至PLC進行分析處理，之后傳輸至上位機進行實時顯示，供監控人員及時了解帶式輸送機的運行狀況。

圖3 PLC系統結構

3.1.2 變頻器

能耗優化控制系統中的變頻器型號為西門子生產的6SE7138-6HG62-3BA0，其工作過程中的額定電流輸出值為860 A，電壓的輸入范圍為600~690 V。帶式輸送機控制系統設計了3臺變頻器，分別控制3臺交流異步電機，依次編號為1號、2號和3號。如圖4所示為變頻器的外接控制主電路，變頻器輸入電源來源于配電柜斷路器，驅動電機啟停由變頻器控制。

圖4 變頻器外接控制主電路

3.1.3 監測器件選型

帶式輸送機能耗優化控制系統煤流量監測由電子皮帶秤完成，結合系統需求選擇了ICS-ST型礦用電子皮帶秤。帶式輸送機功率的監測主要由EDA9033A型三相功率采集模塊測量，該功率監測模塊的電壓量程是10~500 V，電流的量程是1~1 000 A，系統中涉及3臺變頻器，需要配置3個EDA9033A型功率采集模塊。皮帶運行速度監測由速度傳感器完成，結合實際應用環境條件，速度傳感器選擇的型號為GSC4，具備較好的監測精度和靈敏性。

3.2 軟件設計

3.2.1 主程序

控制系統主程序的作用主要是完成子程序的調用，達到帶式輸送機的集中控制與管理，結合帶式輸送機的布置情況，完成了主程序的設計，如圖5所示。程序設計過程中采用了模塊化設計思想，節能調速程序采用了PLC模糊控制器設計，具有很好的可靠性。各個子程序之間相互獨立，能夠平行調用，互不干擾，確保了數據采集的準確性。

圖5 控制系統主程序

3.2.2 功率平衡控制程序設計

帶式輸送機工作過程中需要多個電機驅動，必然存在功率分配不均勻的情況，因此控制系統設計了功率平衡控制程序。該程序能夠控制各個驅動電機的實時運行頻率，確保各個驅動電機工作在給定目標數值的附近，實現各個驅動電機輸出功率的均衡。

3.2.3 能耗優化控制程序設計

帶式輸送機運行時煤炭流量時刻變化，如若反反復復調整帶式輸送機的運行狀態必將增加控制的難度，而且會增加機械磨損和能源消耗。因此，為了降低煤流量波動對帶式輸送機控制系統的干擾，根據實際情況將煤炭流量劃分成[Q0，Q1]、[Q1，Q2]、…、[Qn-i，Qn]等n個區間，設定各個區間對應的合理速度。帶式輸送機運行過程中根據實時采集得到的煤流量區間執行規定的速度，實現能耗優化控制的目的。為了防止煤流量的擾動對控制系統造成誤動作，在煤流量變化時需要對其進行判別，如下頁圖6所示的能耗優化控制程序。

圖6 能耗優化控制系統流程圖

3.2.4 人機交互界面

人機交互界面作為能耗優化控制系統的重要組成部分，其主要功能是實時顯示帶式輸送機的運行狀態參數，供監控人員及時掌握各個參數的實測值及變化趨勢；同時，監控人員也能夠根據參數實測值的變化趨勢及時發出控制信號，實現帶式輸送機的遠程控制。能耗優化控制系統人機交互主界面如下頁圖7所示，其中包括系統運行參數、各個驅動電機的實時運行參數、電控柜的電壓實時值、控制模式切換等顯示界面，還包括歷史曲線調用、故障記錄查看等切換按鍵，能夠很好地滿足帶式輸送機的實時監測與遠程控制功能。

圖7 控制系統主界面

4 應用效果評價

為了驗證帶式輸送機能耗優化控制系統設計的合理性和實用性，將其應用于某煤礦帶式輸送機控制系統中進行試運行，對其進行為期3個月的跟蹤記錄。結果表明，控制系統運行穩定可靠，實現了帶式輸送機的實時監測與遠程控制功能。能耗優化系統的應用，減少了帶式輸送機能源消耗，年節電費約為70萬元，機械磨損較輕，年節省材料配件費約14.5萬元，提高了企業的創新能力，降低了煤炭掘進成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100萬元/年，取得了很好的應用效果。