變頻節(jié)能系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用研究

范惠凱

山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦 山西 太原 030053

帶式輸送機(jī)作為主要的煤礦運(yùn)輸設(shè)備，其是煤礦生產(chǎn)及運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，在長(zhǎng)期礦井生產(chǎn)中，煤礦電費(fèi)的消耗大的問(wèn)題一直不可避免，帶式輸送機(jī)作為主要耗能設(shè)備，對(duì)其高產(chǎn)高效運(yùn)行是煤礦節(jié)能的關(guān)鍵要素。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)過(guò)載的情況，所以為了保證帶式輸送機(jī)運(yùn)行可靠性，需要進(jìn)行一定功率裕量的設(shè)計(jì)，但在實(shí)際運(yùn)載中，由于工況環(huán)境的惡劣性，使得運(yùn)載很難達(dá)到滿載狀態(tài)，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象[1，2]。而當(dāng)輸送機(jī)裝載量較小時(shí)，此時(shí)皮帶仍維持原功率運(yùn)載，使得出現(xiàn)較大面積的電能消耗，所以解決帶式輸送機(jī)能耗損失，提升其運(yùn)行效率對(duì)于礦井降本增效十分重要[3]。本文基于前人的研究設(shè)計(jì)了一套帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)，有效降低了帶式輸送機(jī)的電能消耗，為礦井高效、經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 變頻控制設(shè)計(jì)

1.1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)是一種連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，其主要的傳力方式為摩擦傳力，是目前最有效的輸送設(shè)備之一，帶式輸送機(jī)由輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架、張緊裝置、滾筒等幾部分組成。輸送帶是其主要承載及運(yùn)輸物料的部分。驅(qū)動(dòng)單元是整機(jī)的動(dòng)力源頭，其由電機(jī)、液粘軟啟動(dòng)、減速器、制動(dòng)器、逆止器、低速、高速軸聯(lián)軸器共同組成，將驅(qū)動(dòng)單元固定于鑲嵌于地下的驅(qū)動(dòng)架上。托輥是支撐物料及輸送帶的部分，其是保證物料正常傳輸?shù)年P(guān)鍵。為了防止?jié)L筒與皮帶由于摩擦力不足而造成的打滑，所以設(shè)置拉緊裝置，機(jī)架則是輸送機(jī)的主體構(gòu)架。帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

帶式輸送機(jī)的主要工作原理是依靠皮帶與滾筒形成的封閉環(huán)形，確保皮帶與滾筒間存在較大的摩擦力，隨著驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)皮帶依靠摩擦力進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到運(yùn)輸?shù)哪康摹Ｋ暂斔蛶Ъ仁菭恳龣C(jī)構(gòu)又是承載機(jī)構(gòu)。考慮到帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸主要是依靠滾筒與膠帶間的摩擦，所以需要張緊裝置對(duì)其進(jìn)行張緊，確保其能夠獲得足夠的摩擦力。皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度主要是由傳動(dòng)滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)速度所決定。所以可以通過(guò)采取一定的措施能夠達(dá)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度調(diào)節(jié)的目的。

1.3 耗能優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

對(duì)帶式輸送機(jī)耗能優(yōu)化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)帶式輸送機(jī)的運(yùn)載煤流量較小時(shí)，此時(shí)得出該時(shí)間段內(nèi)運(yùn)載煤流量平均值 Q，隨后利用變頻器調(diào)節(jié)輸送機(jī)的速度，使其從變到Vmax，每一個(gè)速度 v下都有相對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)功耗P，所以得出在煤流量Q1，Q2，Q3 下，此時(shí)的帶式輸送機(jī)的功率 P1，P2，P3 和皮帶運(yùn)行速度為v1，v2，v3。運(yùn)用 Matlab 建立煤流量、功耗及帶速間的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化模型，在模型中，隱含層使用S 型函數(shù)，輸出層是線性激活函數(shù)。輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1代表驅(qū)動(dòng)電機(jī)功耗，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)2 代表煤流量與運(yùn)行的速度，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5。模型訓(xùn)練過(guò)程中有一參數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，完成訓(xùn)練。此時(shí)輸出相應(yīng)的控制參數(shù)煤流量、能耗和帶速。對(duì)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)控制器需要根據(jù)傳遞函數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)方程進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。但應(yīng)用過(guò)程中，由于無(wú)法直接建立精確的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)致無(wú)法適用，而模糊控制并不需要建立精確的模糊控制器數(shù)學(xué)模型，所以本文應(yīng)用模糊控制器。通過(guò)將采集數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，從而得到偏差值，將偏差值轉(zhuǎn)化為模糊量后推算出模糊控制量，然后再對(duì)模糊控制量進(jìn)行清晰化轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏俊?/p>

根據(jù)以上分析對(duì)帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)由上位監(jiān)控系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、信號(hào)監(jiān)控裝置與通訊裝置組成，其中上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子TIA Portal 工控機(jī)進(jìn)行建立，利用WinCC7.3 搭建輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)界面，變頻器選擇西門子 6ES71 變頻器，保護(hù)裝置采用KTC101 保護(hù)裝置，具體帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖2 帶式輸送機(jī)能耗控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

總體結(jié)構(gòu)由 660V、50HZ 配電柜連接驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，PLC 控制器利用以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行連接，同時(shí)利用 PROFIBUS 通訊協(xié)議連接變頻器，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制系統(tǒng)的通訊。節(jié)能控制系統(tǒng)中，通過(guò)上位機(jī)向 PLC 發(fā)出指令，此時(shí) PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)，達(dá)到節(jié)能降耗目的。同時(shí)帶式輸送機(jī)速度降低后速度傳感器將采集到的速度傳至PLC 控制器，隨后傳于上位機(jī)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

帶式輸送機(jī)的煤流量測(cè)量是基于皮帶秤進(jìn)行檢測(cè)，所以皮帶秤需要具備測(cè)量精度高及安全性高的特點(diǎn)。本文選擇的煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用 ICSST 型礦用電子皮帶秤。ICS-XB 型電子皮帶秤主要是由工控機(jī)、隔爆兼本安型皮帶秤秤體、避雷器、稱重傳感器組成。皮帶秤工作原理是在皮帶上安裝傳感器，當(dāng)煤流量負(fù)載于輸送帶上時(shí)，此時(shí)的重量作用于傳感器，監(jiān)測(cè)到載物的重量，重量以（kg/m）為單位，此時(shí)經(jīng)過(guò)傳輸將監(jiān)控信息傳輸至工控機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)過(guò)程中，煤流量均會(huì)在上位機(jī)進(jìn)行顯示。

速度傳感器同樣是節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，考慮到復(fù)雜的工況環(huán)境，所以速度傳感器選用 GSC4速度傳感器，該速度傳感器性能靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷。速度傳感器的作用是將帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度進(jìn)行采集，并傳輸至PLC端，PLC對(duì)運(yùn)行速度與煤流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析速度與煤流量的匹配程度，但誤差超過(guò)設(shè)定誤差時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即對(duì)速度進(jìn)行修正，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。

2 應(yīng)用分析

對(duì)設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，以鎮(zhèn)城底礦主斜井帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，主斜井的帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度為1600m；皮帶寬1200mm；小時(shí)運(yùn)量為800t，運(yùn)行帶速為 4.0m/s ，運(yùn)行的傾角為6° ，電機(jī)電壓及功率分別為 660V、250kW，帶式輸送機(jī)共 3 臺(tái)，年工作日為 300 天，天工作時(shí)間為18個(gè)小時(shí)。改造前帶式輸送機(jī)以恒定速度運(yùn)行，全年產(chǎn)量所需電量為：W=3×250×300×18=4050000KWh，帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化后，此時(shí)的按平均運(yùn)量 5 9 3 t/h 時(shí)，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度為 3 m/s，功率為 5 5 0 k W。所以改造后用電量為：W1=550×300×18=2970000KWh，對(duì)比兩種差值為年省電量為1080000KWh，降低27%。同時(shí)對(duì)比優(yōu)化前后的帶式輸送機(jī)磨損情況可知，優(yōu)化前帶式輸送機(jī)以恒定速度運(yùn)行，煤流量減小時(shí)，仍高速運(yùn)行速度，所以會(huì)增加磨損，而當(dāng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化后，運(yùn)行速度根據(jù)運(yùn)量進(jìn)行調(diào)整，機(jī)械的磨損程度有所降低。機(jī)械磨損較少，年節(jié)省配件費(fèi)約14.6 萬(wàn)元，年節(jié)省電費(fèi)70萬(wàn)元，變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用較好的實(shí)現(xiàn)了降本增效目的。

3 結(jié)論

針對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸效率低、能耗高等問(wèn)題，本文以鎮(zhèn)城底礦主斜井帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了煤流量、功耗、帶速三者間的能耗優(yōu)化模型，同時(shí)利用模糊算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)優(yōu)化能耗控制，通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)年節(jié)省配件費(fèi)約 14.6 萬(wàn)元，年節(jié)省電量為70余萬(wàn)元，所以設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)能夠較好的實(shí)現(xiàn)降本增效目的，為礦井高效發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。