關(guān)于DSJ160 帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

宋文太

（山西澤州天泰錦辰煤業(yè)有限公司， 山西 澤州 048002）

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國(guó)越來越重視經(jīng)濟(jì)發(fā)展的質(zhì)量與環(huán)境保護(hù)等問題，在各行各業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中，降低能耗已經(jīng)形成了發(fā)展的共識(shí)。在帶式輸送機(jī)的實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)其浪費(fèi)電能現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且不根據(jù)載重量大小變化，帶式輸送機(jī)一直以最大功率運(yùn)行，由此造成比較大的能源浪費(fèi)。以帶式輸送機(jī)節(jié)能控制為研究出發(fā)點(diǎn)，研究提高其經(jīng)濟(jì)效益的解決辦法，對(duì)降低礦井生產(chǎn)成本有著重要的意義。

現(xiàn)階段，絕大多數(shù)煤礦帶式輸送機(jī)仍以恒定的速度運(yùn)行，研究設(shè)計(jì)一種基于帶式輸送機(jī)運(yùn)載流量的節(jié)能控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)化、智能化、信息化的手段控制輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)可根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸量調(diào)節(jié)其輸出功率，當(dāng)輸送機(jī)上煤流量較小時(shí)，設(shè)備可以維持在低轉(zhuǎn)速，有效降低能耗，同時(shí)可以提高設(shè)備的可靠性及使用壽命。礦用帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在不需要人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行與控制，方便操作人員進(jìn)行管理與監(jiān)控，使得其工作效率更高[1]。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力分析

根據(jù)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)可以知道其運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，帶式輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要由兩個(gè)位于端部的滾筒以及緊套于其上的皮帶組成，皮帶與滾筒形成封閉型的環(huán)形，并且保證皮帶和滾筒之間具有足夠的摩擦力。在驅(qū)動(dòng)滾筒的作用下，依靠膠帶與滾筒之間形成的摩擦力使得皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)位于皮帶之上的物料。皮帶輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中所受到的載荷情況明確，其在運(yùn)行過程中主要受到基本阻力、傾斜阻力、附加阻力、特殊阻力等組成。因此為了使帶式輸送機(jī)在其運(yùn)載能力范圍內(nèi)正常運(yùn)行，需要對(duì)其受載情況進(jìn)行分析。下面對(duì)輸送機(jī)受到的主要載荷作簡(jiǎn)要介紹[2]：

1）帶式輸送機(jī)的基本阻力：該阻力是由托輥之間、輸送帶與物料相互作用的力，是輸送機(jī)在水平狀態(tài)下所受的最大阻力。

2）傾斜阻力：由于帶式輸送機(jī)具有一定的距高，重物在傾斜狀態(tài)下對(duì)設(shè)備產(chǎn)生傾斜阻力，傾斜阻力的大小與設(shè)備的傾斜角度密切相關(guān)，所以在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮。

3）附加阻力：一般是指由設(shè)備本身結(jié)構(gòu)造成的阻力，如帶式輸送機(jī)改向滾筒產(chǎn)生的阻力，對(duì)于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高帶速的帶式輸送機(jī)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要核算其附加運(yùn)行阻力的大小。

4）特殊阻力：不一定存在于每個(gè)帶式輸送中，可能是輸送機(jī)的其他輔助設(shè)備引起的阻力，特殊阻力往往成為影響設(shè)備性能的一個(gè)重要因素[3]。

2 控制系統(tǒng)總體方案

帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，該能耗控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)中央控制器、PLC 可編程控制器、變頻驅(qū)動(dòng)控制、通信系統(tǒng)以及底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；根據(jù)其層級(jí)的劃分對(duì)不同的層級(jí)設(shè)計(jì)以及功能作簡(jiǎn)要介紹。上位機(jī)管理控制系統(tǒng)是整個(gè)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的核心，采用了WinCC7.3 構(gòu)建起帶式輸送機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的可視化操作界面。PLC控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，可根據(jù)系統(tǒng)的控制策略輸出控制信號(hào)，并對(duì)相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行控制。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：設(shè)計(jì)采用了西門子BN780 變頻器，該變頻器可以較好地適配驅(qū)動(dòng)電機(jī)，保證了系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行。

圖1 能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)煤流量、帶速以及功耗等數(shù)據(jù)綜合判斷并計(jì)算出在不同煤流量情況下帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，由此提高了電能的利用率，同時(shí)提升了設(shè)備的使用壽命。該能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括如下：節(jié)能運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度隨煤流量的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使帶式輸送機(jī)始終處于一個(gè)低能耗狀態(tài)；基于PLC對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)識(shí)別與判斷，達(dá)到自動(dòng)化調(diào)節(jié)的目的；該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)緊急情況下的急停，變頻控制器可實(shí)現(xiàn)緩?fù)＃瑴p小了對(duì)設(shè)備的沖擊；系統(tǒng)可以初步判斷輸送機(jī)出故障類型，并視情況發(fā)出故障報(bào)警[4]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主要硬件設(shè)計(jì)

在帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)中，PLC 作為其重要的控制器，PLC 的性能以及可靠性穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)整體的控制能力具有較大的影響。在PLC 的選型與功能設(shè)計(jì)上都需要與實(shí)際需求相匹配，如圖2 所示為PLC的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面對(duì)該能耗控制系統(tǒng)的主要硬件的設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹[5]。

圖2 PLC 功能設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC 模塊選型

如圖2 所示，帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中向PLC發(fā)出控制指令，然后經(jīng)過PLC 邏輯控制得到控制命令，最后控制輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在PLC 控制模塊中，設(shè)計(jì)基于CM1243-5 通信模塊采用PROFIBUS 總線控制，可以實(shí)時(shí)查看帶式輸送機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.2 以太網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本智能控制系統(tǒng)中選擇了Mesh 技術(shù)，該無線通信技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，非常適用于井下環(huán)境。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ)，通過搭建網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)刮板運(yùn)輸機(jī)PLC、采煤機(jī)主控制PLC、控制系統(tǒng)的PLC 之間信息的交互傳遞。PLC 控制程序還可與其他控制系統(tǒng)組合使用，具有非常好的靈活性[6]。

3.1.3 速度及綜合保護(hù)傳感器

帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)依靠各種類型的傳感器，根據(jù)系統(tǒng)需要選擇不同類型的傳感器，下面對(duì)主要的傳感器類型作簡(jiǎn)要說明：速度傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)輸送機(jī)皮帶轉(zhuǎn)速，該速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能靈敏和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；綜合保護(hù)傳感器，主要負(fù)責(zé)與各主控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信交流，確保系統(tǒng)處于一個(gè)良好的工作狀態(tài)。

3.2 節(jié)能系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮各個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)與所需實(shí)現(xiàn)的功能，構(gòu)建一個(gè)完整的控制系統(tǒng)需要將各個(gè)硬件設(shè)備連接起來。帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟件主要包括綜合管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。具體結(jié)構(gòu)介紹如下：

圖3 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)管理：主要是提供用戶管理對(duì)操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄等功能，方便系統(tǒng)的維護(hù)與管理；

2）監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控記錄，識(shí)別帶式輸送機(jī)的工作狀態(tài)，并且可以繪制帶式輸送機(jī)的運(yùn)行曲線；

3）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)是將生產(chǎn)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與歸納總結(jié)，包括數(shù)據(jù)歸檔查詢等，方便以后對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與檢修，也可供操作人員查看。

4 節(jié)能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

各系統(tǒng)在構(gòu)建完成后，比較重要的一步就是對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)；系統(tǒng)的調(diào)試主要包括硬件系統(tǒng)的調(diào)試、軟件系統(tǒng)的調(diào)試、能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)試以及上位機(jī)操作系統(tǒng)的調(diào)試，下面對(duì)主要系統(tǒng)調(diào)試作簡(jiǎn)要介紹。

4.1 能耗控制系統(tǒng)調(diào)試

在輸送機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，將其工作時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，同時(shí)采集待標(biāo)定速度傳感器的輸出信號(hào)，基于控制系統(tǒng)判斷得出理論控制速度，通過軟件與硬件平臺(tái)對(duì)帶式輸送機(jī)能耗進(jìn)行優(yōu)化控制。

4.2 上位機(jī)界面的調(diào)試

上位機(jī)的調(diào)試主要是檢測(cè)其各項(xiàng)設(shè)定功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)試內(nèi)容主要包括上位機(jī)登錄界面調(diào)試、報(bào)表查詢界面調(diào)試、主界面調(diào)試、故障記錄界面調(diào)試等等，如下頁圖4 所示為上位機(jī)控制系統(tǒng)的主界面。通過該畫面可以查到帶式輸送機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，通過傳感器測(cè)量與實(shí)際值的對(duì)比，顯示主界面的顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，表面該系統(tǒng)具有較好的可靠性。

圖4 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)主界面

5 結(jié)語

針對(duì)礦用帶式輸送機(jī)能耗高等問題，以提高其使用壽命與能耗效率為出發(fā)點(diǎn)，以帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，通過對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力的分析，建立了帶式輸送機(jī)的能耗優(yōu)化模型，結(jié)合現(xiàn)代化礦井技術(shù)設(shè)計(jì)了一套礦井帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)可有效根據(jù)設(shè)備的運(yùn)輸量，切換變更帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度，有效降低帶式輸送機(jī)的能耗。