礦井帶式輸送機變頻節(jié)能控制技術的研究

鄭偉

西山煤電集團有限責任公司 山西 太原 030053

1 前言

帶式輸送機作為煤礦井下的主要運輸工具，隨著煤礦采掘規(guī)模的不斷加大，帶式輸送機逐步向著大跨距、大運量方向發(fā)展。為提高帶式輸送機的運載能力，其耗電成本也大幅增加，耗電成本占生產(chǎn)費用的比重也在增大[1]。由于我國地質(zhì)條件的不均勻性，使得在進行煤礦開采過程中的采煤量不是恒定值，所以帶式輸送機在運輸過程中存在滿載和空載的情況，當滿載時帶式輸送機的效率就高，反之較低，所以改善帶式輸送機運輸速度與載重的配比情況對于提升帶式輸送機效率，降低運輸成本十分重要[2]。本文基于變頻器對帶式輸送機的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，為帶式輸送機速度與載重的協(xié)調(diào)做出一定的借鑒。

2 變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設計

針對礦用帶式輸送機這種大馬拉小馬的情況，對變頻控制系統(tǒng)進行研究，帶式輸送機的運行速度與帶式輸送機的能耗呈現(xiàn)正相關的關系，在實際運行過程中，降低帶式輸送機的運行速度能夠達到降能的目的。在帶式輸送機運行過程中影響其運行速度的因素有許多，如運載量、皮帶的寬度等。當運行速度降低時，此時的帶式輸送機的線密度增加，此時皮帶需要的張力增大，當張力不足時會造成設備的損壞，所以在降低能耗的同時又能保障帶式輸送機的正常工作是本文研究的目標。帶式輸送機運量與運行速度間的關系如下公式所示

式中：Q為帶式輸送機運載量，kg；v為運行速度，m/s；qm為帶式輸送機的線密度，kg/m。所以在不同階段內(nèi)帶式輸送機的運輸量是不同的，所以通過檢測設備負載情況進行速度的自動控制，從而實現(xiàn)帶速與載重量的匹配。

進行帶式輸送機變頻控制的前提需要設計PLC智能調(diào)節(jié)器，PLC根據(jù)采集到的運行數(shù)據(jù)進行邏輯運算，從而給出帶式輸送機的運行速度，帶式輸送機的驅(qū)動裝置選定為變頻驅(qū)動。變頻控制系統(tǒng)主要由控制單元、執(zhí)行單元及檢測單元組成，其中控制單元為整個控制系統(tǒng)的核心，檢測單元為系統(tǒng)控制的基礎，執(zhí)行單元為系統(tǒng)控制的保障[3]。

PLC控制程序需要包括電機的控制程序、煤量的控制程序、節(jié)能調(diào)速控制程序、預警控制程序等。PLC控制主程序如圖1所示。

圖1 PLC控制主程序流程圖

從圖1可以看出，PLC控制主程序運行過程為先進行啟動預警，對系統(tǒng)保護狀態(tài)進行檢測，當發(fā)現(xiàn)問題時，系統(tǒng)自動報警，沒有發(fā)現(xiàn)問題系統(tǒng)啟動，啟動為延遲啟動，啟動后對電機的運行狀態(tài)進行檢測，當無需調(diào)速時，此時帶式輸送機以恒定速度進行運行，當檢測出存在功率和運載量不匹配情況時，PLC控制程序經(jīng)過邏輯計算輸出合理帶速，系統(tǒng)進行帶速調(diào)節(jié)，帶式輸送機保持變頻運行，直至結(jié)束工作[4]。

功率平衡子程序是解決功率平衡重要的程序，其通過采集電機的運行信號進行分析，確定是否需要調(diào)節(jié)功率，當需要調(diào)節(jié)功率時，程序自動對頻率進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的目的，功率平衡程序控制流程圖如2所示。

從圖2可以看出，功率平衡程序啟動后，系統(tǒng)自動采集電機的電流信號，系統(tǒng)計算平均電流Ip，分別比較變頻器電流與平均電流的大小，當變頻器的電流與系統(tǒng)平均電流的比值大于95%時，此時降低變頻器的頻率，比值小于95%時增大變頻器的頻率，系統(tǒng)持續(xù)保持循環(huán)運行，保證達到功率平衡。

圖2 功率平衡程序控制流程圖

節(jié)能調(diào)速子程序是系統(tǒng)對運煤量及帶式輸送機運行速度信號進行采集、分析、處理，給出兩者相互匹配的運行數(shù)值，節(jié)能調(diào)速子程序從開始運行后先對煤倉的煤位進行檢測，檢測煤量是否在設定的范圍內(nèi)，當煤量在設定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)對運量進行檢測，給出帶速，實現(xiàn)節(jié)能控制，當煤量不在設定范圍內(nèi)時，檢測是低于還是高于設定值，從而得出給煤機的裝煤量，系統(tǒng)反復運行，實現(xiàn)節(jié)能調(diào)速控制。

3 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)實際情況對變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進行設計，變頻器作為控制執(zhí)行設備，其主要作用是將接收到的PLC信號進行識別，將信號轉(zhuǎn)化為不同的輸出頻率作用于帶式輸送機的電動機上，從而實現(xiàn)帶式輸送機的變頻調(diào)速。本文從安全的角度進行考慮選定MVG-2000/10/6k型變頻器作為本文設計的調(diào)速裝置，MVG-2000/10/6k型變頻器具有過電流、過電壓、過熱和電機過載等保護功能，系統(tǒng)選用兩條帶式輸送機，每臺帶式輸送機選用3個變頻器，所以系統(tǒng)共有6個變頻器。變頻器額定容量為2000kVA，額定的輸入電壓為10kV，額定的輸出電壓為6kV。

PLC控制是整個控制單元的重要部分，PLC主要用于采集運行狀態(tài)信息及輸出控制信號，系統(tǒng)的PLC控制器選用ControlLogix5000 1756控制器，ControlLogix5000 1756控制器具備可編程功能，其主要是由電源模塊、核心CPU、通訊模塊、模擬輸入、輸出模塊和I/O模塊等。

對綜合保護裝置進行選型，選定KTC101-Z作為綜合保護裝置，KTC101-Z綜合保護裝置具備瞬時停車方式、設備互鎖及信號聯(lián)系，能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機的跑偏、打滑、撕裂及電機故障等事故的及時報警。KTC101-Z綜合保護裝置是礦井專用的集控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部嵌入現(xiàn)場CAN總線技術和PC104控制，采用7芯一線就可實現(xiàn)所有功能。

對帶式輸送機的PLC控制軟件進行設計，選用編程軟件RSlogix5000，對組態(tài)及監(jiān)控進行編程，使得上位機通過界面就可實現(xiàn)故障的識別與監(jiān)控，發(fā)生故障后，可以立即定位發(fā)生故障的位置，當發(fā)生故障較大，影響整體系統(tǒng)運行時，此時系統(tǒng)立即停止運行，進行故障的排處，完成故障排處后，帶式輸送機恢復運行，當系統(tǒng)故障較小，不影響整體運行時，此時帶式輸送機發(fā)出故障報警后繼續(xù)運行，不影響帶式輸送機的整體效率。

將優(yōu)化后的帶式輸送機變頻控制系統(tǒng)進行應用后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化后，帶式輸送機能夠?qū)崿F(xiàn)帶速的變頻調(diào)節(jié)，通過應用得出優(yōu)化后的帶式輸送機變頻系統(tǒng)有效解放了人工勞動強度，提升了工作效率，降低了帶式輸送機皮帶的磨損，提升了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，為礦井開采成本的降低做出一定的貢獻。

4 結(jié)論

本文通過分析帶式輸送機帶速與運載量之間的關系，對帶式輸送機的變頻控制系統(tǒng)進行設計分析，給出了PLC控制主程序、功率平衡子程序、節(jié)能調(diào)速子程序的控制流程圖及其工作原理，并對系統(tǒng)變頻器、PLC控制器及綜合保護裝置的選型進行分析，給出了帶式輸送機的變頻控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場實踐驗證了系統(tǒng)的可行性，為礦井帶式輸送機的高效運行提供一定的參考。