變頻節能系統在帶式輸送機中的應用研究

范惠凱

山西焦煤西山煤電鎮城底礦 山西 太原 030053

帶式輸送機作為主要的煤礦運輸設備，其是煤礦生產及運轉的核心，在長期礦井生產中，煤礦電費的消耗大的問題一直不可避免，帶式輸送機作為主要耗能設備，對其高產高效運行是煤礦節能的關鍵要素。帶式輸送機運行時，常常會出現過載的情況，所以為了保證帶式輸送機運行可靠性，需要進行一定功率裕量的設計，但在實際運載中，由于工況環境的惡劣性，使得運載很難達到滿載狀態，出現“大馬拉小車”現象[1，2]。而當輸送機裝載量較小時，此時皮帶仍維持原功率運載，使得出現較大面積的電能消耗，所以解決帶式輸送機能耗損失，提升其運行效率對于礦井降本增效十分重要[3]。本文基于前人的研究設計了一套帶式輸送機變頻控制系統，有效降低了帶式輸送機的電能消耗，為礦井高效、經濟發展做出貢獻。

1 變頻控制設計

1.1 帶式輸送機結構設計

帶式輸送機是一種連續運輸機械，其主要的傳力方式為摩擦傳力，是目前最有效的輸送設備之一，帶式輸送機由輸送帶、驅動裝置、機架、張緊裝置、滾筒等幾部分組成。輸送帶是其主要承載及運輸物料的部分。驅動單元是整機的動力源頭，其由電機、液粘軟啟動、減速器、制動器、逆止器、低速、高速軸聯軸器共同組成，將驅動單元固定于鑲嵌于地下的驅動架上。托輥是支撐物料及輸送帶的部分，其是保證物料正常傳輸的關鍵。為了防止滾筒與皮帶由于摩擦力不足而造成的打滑，所以設置拉緊裝置，機架則是輸送機的主體構架。帶式輸送機結構如圖1所示。

圖1 帶式輸送機結構示意圖

1.2 工作原理

帶式輸送機的主要工作原理是依靠皮帶與滾筒形成的封閉環形，確保皮帶與滾筒間存在較大的摩擦力，隨著驅動滾筒運轉，此時皮帶依靠摩擦力進行運轉，從而達到運輸的目的。所以輸送帶既是牽引機構又是承載機構。考慮到帶式輸送機的運輸主要是依靠滾筒與膠帶間的摩擦，所以需要張緊裝置對其進行張緊，確保其能夠獲得足夠的摩擦力。皮帶運輸機的運行速度主要是由傳動滾筒運轉速度所決定。所以可以通過采取一定的措施能夠達帶式輸送機運行速度調節的目的。

1.3 耗能優化模型設計

對帶式輸送機耗能優化模型進行設計，在煤礦生產過程中，當帶式輸送機的運載煤流量較小時，此時得出該時間段內運載煤流量平均值 Q，隨后利用變頻器調節輸送機的速度，使其從變到Vmax，每一個速度 v下都有相對應的輸送機功耗P，所以得出在煤流量Q1，Q2，Q3 下，此時的帶式輸送機的功率 P1，P2，P3 和皮帶運行速度為v1，v2，v3。運用 Matlab 建立煤流量、功耗及帶速間的 BP 神經網絡能耗優化模型，在模型中，隱含層使用S 型函數，輸出層是線性激活函數。輸出層節點數為1代表驅動電機功耗，輸入層節點數2 代表煤流量與運行的速度，隱含層節點數為5。模型訓練過程中有一參數達到設定目標值時，完成訓練。此時輸出相應的控制參數煤流量、能耗和帶速。對模糊控制器進行設計，傳統控制器需要根據傳遞函數和運行狀態方程進行控制設計。但應用過程中，由于無法直接建立精確的數學模型導致無法適用，而模糊控制并不需要建立精確的模糊控制器數學模型，所以本文應用模糊控制器。通過將采集數值與預先設定的數值進行比較，從而得到偏差值，將偏差值轉化為模糊量后推算出模糊控制量，然后再對模糊控制量進行清晰化轉變為控制量。

根據以上分析對帶式輸送機的控制系統進行設計，帶式輸送機能耗優化控制系統由上位監控系統、變頻驅動系統、PLC控制系統、保護系統、信號監控裝置與通訊裝置組成，其中上位機的監控系統采用西門子TIA Portal 工控機進行建立，利用WinCC7.3 搭建輸送機監控系統組態界面，變頻器選擇西門子 6ES71 變頻器，保護裝置采用KTC101 保護裝置，具體帶式輸送機能耗控制系統的結構圖如2所示。

圖2 帶式輸送機能耗控制系統結構示意圖

總體結構由 660V、50HZ 配電柜連接驅動器進行電動機的驅動，PLC 控制器利用以太網與上位機進行連接，同時利用 PROFIBUS 通訊協議連接變頻器，實現節能控制系統的通訊。節能控制系統中，通過上位機向 PLC 發出指令，此時 PLC控制變頻器實現電機的變頻驅動，達到節能降耗目的。同時帶式輸送機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，達到遠程監控的目的。

帶式輸送機的煤流量測量是基于皮帶秤進行檢測，所以皮帶秤需要具備測量精度高及安全性高的特點。本文選擇的煤流量監測系統選用 ICSST 型礦用電子皮帶秤。ICS-XB 型電子皮帶秤主要是由工控機、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，當煤流量負載于輸送帶上時，此時的重量作用于傳感器，監測到載物的重量，重量以（kg/m）為單位，此時經過傳輸將監控信息傳輸至工控機實現實時監測，生產過程中，煤流量均會在上位機進行顯示。

速度傳感器同樣是節能控制系統的核心，考慮到復雜的工況環境，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、結構簡單、安裝便捷。速度傳感器的作用是將帶式輸送機運輸速度進行采集，并傳輸至PLC端，PLC對運行速度與煤流量進行監測，分析速度與煤流量的匹配程度，但誤差超過設定誤差時，此時系統會立即對速度進行修正，達到調節的目的。

2 應用分析

對設計的帶式輸送機能耗優化控制系統進行應用，以鎮城底礦主斜井帶式輸送機的運行參數進行對比分析，主斜井的帶式輸送機長度為1600m；皮帶寬1200mm；小時運量為800t，運行帶速為 4.0m/s ，運行的傾角為6° ，電機電壓及功率分別為 660V、250kW，帶式輸送機共 3 臺，年工作日為 300 天，天工作時間為18個小時。改造前帶式輸送機以恒定速度運行，全年產量所需電量為：W=3×250×300×18=4050000KWh，帶式輸送機節能優化后，此時的按平均運量 5 9 3 t/h 時，帶式輸送機運行速度為 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，對比兩種差值為年省電量為1080000KWh，降低27%。同時對比優化前后的帶式輸送機磨損情況可知，優化前帶式輸送機以恒定速度運行，煤流量減小時，仍高速運行速度，所以會增加磨損，而當進行節能優化后，運行速度根據運量進行調整，機械的磨損程度有所降低。機械磨損較少，年節省配件費約14.6 萬元，年節省電費70萬元，變頻調速節能控制技術的應用較好的實現了降本增效目的。

3 結論

針對帶式輸送機運輸效率低、能耗高等問題，本文以鎮城底礦主斜井帶式輸送機為研究對象，基于BP神經網絡技術建立了煤流量、功耗、帶速三者間的能耗優化模型，同時利用模糊算法對模型進行優化，實現了帶式輸送機優化能耗控制，通過對優化后的帶式輸送機變頻控制系統進行應用，發現年節省配件費約 14.6 萬元，年節省電量為70余萬元，所以設計的變頻調速節能控制系統能夠較好的實現降本增效目的，為礦井高效發展做出一定的貢獻。