王臻榮

(陽煤集團天譽礦業(yè)投資有限責任公司，山西 忻州 034000)

0 引言

近年來，隨著世界能源需求的不斷攀升和自然資源的日益枯竭，對能源供應商、工業(yè)企業(yè)及消費者都提出了新的挑戰(zhàn)，在《節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，高效節(jié)能技術和裝備將是重要一環(huán)，如何以高效和可持續(xù)的方式使用能源成為了當務之急。目前我國工業(yè)能耗約占總能耗的70%[1-3]，其中電機能耗約占工業(yè)能耗的60%～70%，加上非工業(yè)電機能耗，電機實際能耗約占工業(yè)總能耗的75%以上[4-6]。根據(jù)國家中小電機質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對國內(nèi)重點企業(yè)電機的抽樣調(diào)查，真正實現(xiàn)變頻拖動的電機不足40%[7-13]，而變頻拖動的設備真正做到節(jié)能運行的不足50%，所以說電機變頻節(jié)能運行發(fā)展空間巨大、需求性強。

因此結(jié)合廣大礦山用戶的實際需求，利用成熟的工業(yè)控制技術和現(xiàn)代化網(wǎng)絡技術，研究人員設計了一套礦山皮帶運輸能耗管理系統(tǒng)，送審后經(jīng)安標辦規(guī)范名稱為KHP290型煤礦用帶式輸送機載荷帶速控制裝置(以下簡稱裝置)。

1 項目概況

該項目在開灤集團錢家營煤礦開展。

1.1 一部皮帶

一部皮帶長度330 m，采用2臺355 kW的電機拖動，目前采用機械軟啟的方式對皮帶啟動，目前安裝有一套華寧KTC101皮帶保護裝置。針對現(xiàn)場實際情況，一部皮帶公司只配置集控用本安控制臺、隔爆兼本安PLC控制箱及實現(xiàn)節(jié)能控制所必須的傳感器，可實現(xiàn)將礦方現(xiàn)有華寧皮帶保護裝置接入皮帶集控平臺，實現(xiàn)頭部皮帶能和其他皮帶聯(lián)動啟停，能在地面監(jiān)控中心實現(xiàn)遠程一鍵啟停。

1.2 二部、三部皮帶

二部皮帶長度220 m，由1臺315 kW的電機變頻拖動，三部皮帶長度360 m，由2臺315 kW變頻電機拖動，目前現(xiàn)有皮帶沿線保護傳感器均不同程度損壞，需要根據(jù)各條皮帶長度全部更換皮帶沿線撕裂、張力、速度、溫度、煙霧、堆煤、跑偏、急停、超溫灑水、帶精確定位的擴音電話。針對現(xiàn)場實際情況，公司根據(jù)二部、三部皮帶長度配置全套皮帶集控保護裝置和皮帶沿線傳感器，實現(xiàn)二部、三部皮帶能和其他皮帶聯(lián)動啟停，能在地面監(jiān)控中心實現(xiàn)遠程一鍵啟停；實現(xiàn)二部、三部皮帶的變頻啟動。

1.3 四部、五部皮帶

四部皮帶長度400 m，由2臺315 kW變頻電機拖動，五部皮帶長度200 m，由1臺315 kW變頻電機拖動，需要根據(jù)各條皮帶長度全部更換皮帶沿線撕裂、張力、速度、溫度、煙霧、堆煤、跑偏、急停、超溫灑水、帶精確定位的擴音電話，另外由于四部皮帶承擔1-3煤1號、2號煤倉來煤，全負荷運行，五部皮帶承擔1-1煤來煤；針對現(xiàn)場實際情況，公司根據(jù)四部、五部皮帶長度配置全套皮帶集控保護裝置和皮帶沿線傳感器，實現(xiàn)四部、五部皮帶能和其他皮帶聯(lián)動啟停，能在地面監(jiān)控中心實現(xiàn)遠程一鍵啟停；實現(xiàn)四部、五部皮帶的變頻啟動。

2 技術方案

2.1 地面調(diào)度室及視頻監(jiān)控部分

研華工控機、視頻柜、礦用隔爆型攝像儀云臺一體機、礦用網(wǎng)線及光纜等，實現(xiàn)皮帶機的集中控制，工況顯示，視頻監(jiān)控等功能。

2.2 控制部分

控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200系列PLC，整套設備含皮帶電控部分、皮帶沿線保護部分。在此次的技術方案中，設計在每條皮帶的機頭位置分別配置KXJ660型PLC防爆箱1臺、TH12-X本安顯示控制臺1臺，防爆箱采用快開門結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場調(diào)試及維修；控制臺面板有皮帶機的急?？刂瓢粹o、送話按鈕及操作控制鍵盤，操作臺正面為10.2寸監(jiān)控液晶顯示屏，方便現(xiàn)場人員修改參數(shù)、查看皮帶的運行狀態(tài)；顯示每臺電機的電流、電壓、頻率、運行和故障狀態(tài)；控制臺顯示并儲存皮帶的運行時間，節(jié)能運行里程，標準運行里程，皮帶實時速度，給煤機開、停等運行情況。電控系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)皮帶的運行速度，達到根據(jù)皮帶運送煤炭的有無、多少來實現(xiàn)皮帶節(jié)能運行的目的。

對于皮帶由給煤機給煤的，可通過帶啟停控制的通訊機進行給煤機的控制，通訊機內(nèi)置通訊模塊，采集到給煤機啟動信號后，程序自動檢測皮帶的運行速度，當皮帶在全速運行時(速度可以通過上位機設定)，由PLC控制給煤機繼電器動作，啟動給煤機；如采集到給煤機啟動信號后，程序檢測皮帶的運行速度沒有達到全速時，自動開始對皮帶進行加速，當皮帶在全速運行后，再啟動給煤機，避免在皮帶低速運行時，突然啟動給煤機的灑煤現(xiàn)象。

2.3 傳感器部分

皮帶的沿線保護傳感器，包括跑偏、拉線、煙霧、溫度、灑水、縱撕、速度、堆煤等傳感器。在本設計中傳感器部分還配置了公司的專利產(chǎn)品——料流傳感器。通過公司的“料流傳感器”與變頻器配合使用可實現(xiàn)物料大小與皮帶速度實時在線調(diào)速的功能，系統(tǒng)原有皮帶機綜合保護的各種功能不變的同時，還具有了節(jié)能運行功能。

3 系統(tǒng)核心技術

3.1 GL3-24礦用隔爆型料流傳感器

料流傳感器適合在煤礦井下有煤塵瓦斯等爆炸性氣體環(huán)境下，用于測量流動物料的厚度，尤其適合皮帶機做料流檢測使用。該傳感器是公司與中科院共同引進國外先進傳感技術研制而成，最早于2011年12月通過煤安審查取得煤安標志(MFB110354)，2013年3月獲得實用新型專利證書，現(xiàn)該產(chǎn)品的有效期至2022年4月。

料流傳感器的成功研制，采用了當前最先進的“微波光”探測原理，打破了以往其它傳統(tǒng)傳感器的局限，例如：堆煤、皮帶秤等接觸式傳感器碰撞容易損壞，安裝復雜、維護工作量大等缺點。也避免了超聲波、雷達和紅外傳感器等非接觸式傳感器測量不準、測量物料局限性大、信號漫反射造成的測量誤差大等缺點。該微波光傳感器具有防潮防水免維修的特性，為非接觸式安裝，通過不同頻率不同波長微波光探測原理，實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動膠帶機上料流的檢測和信號輸出，具有壽命長、精度高、防碰撞、易安裝調(diào)試、外部環(huán)境干擾小、標準外部接口的優(yōu)點；由于采用了多套不同頻率和不同波長的微波光技術，多模塊微波光技術相互補償，檢測膠帶機上料流時，不管是塊狀、末狀、糊狀、水狀等都可以精確檢測到厚度，并通過一套微處理器處理后實現(xiàn)信號的模擬量線性輸出，避免了接觸式傳感器的諸多缺點，可以在溜子和皮帶上安裝且不受安裝地點限制，不受皮帶傾角的限制，不受物料粒度、濕度、種類等限制。安裝、調(diào)整非常方便，安裝時間僅需10 min即可，安裝時只需簡單調(diào)整一下傳感器到皮帶上面的距離，無需停產(chǎn)，不需改變皮帶機的任何機械結(jié)構(gòu)，移動非常方便，可安裝在移動皮帶上使用，適用于所有膠帶機運輸領域。

“微波光”原理的料流傳感器是經(jīng)過幾代改進的產(chǎn)品，已經(jīng)成功應用于現(xiàn)場近2年的時間，沒有損壞、維修記錄，在使用過程中，完全能做到免維護，適應現(xiàn)場的各種工況。如：干煤、濕煤、水煤、塊煤、大塊矸石、亮煤等。

3.2 膠帶機速度自動調(diào)節(jié)

煤礦井下膠帶機速度自動調(diào)節(jié)裝置，包括隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器和礦用料流傳感器。通過礦用通訊電纜將變頻器和料流傳感器連接。裝置的工作原理如下。

本裝置中所控制的隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器與現(xiàn)場電動機相連接，主要是通過變頻器來調(diào)節(jié)電動機的頻率以實現(xiàn)膠帶機的速度調(diào)節(jié)。料流傳感器安裝在皮帶落煤點后，實時檢測膠帶機上煤的多少，并轉(zhuǎn)換成對應的信號。通過屏蔽電纜將信號傳輸?shù)降V用隔爆兼本安PLC千兆環(huán)網(wǎng)控制箱中，通過程序進行變換，將變換后的結(jié)果傳輸給變頻器，最終實現(xiàn)膠帶機隨料流多少自動調(diào)節(jié)速度的目的。

料流傳感器垂直安裝在膠帶機上方，工作原理為微波光檢測料流厚度，測量距離0～3 m，測量距離可非常方便的進行設定，不需要專用儀表及工具，通過傳感器自身產(chǎn)生的微波光照射在膠帶機上，通過煤反射微波光至傳感器，傳感器計算發(fā)射和反射的時間差來精確計算出所測煤的高度，同時將距離換算成相對應的4～20 mA電流信號輸出。

料流傳感器和煤礦井下膠帶機速度自動調(diào)節(jié)裝置在我公司分別申請了實用新型發(fā)明專利。通過此項技術可以實現(xiàn)：可根據(jù)膠帶機料流的多少，輸出電流信號，并且使用PLC來控制變頻器，增加了靈活和適用性，使用起來方便靈活，真正實現(xiàn)了煤多速度快，煤少速度慢的功能，同時達到了節(jié)能降耗的目的，并且減少了現(xiàn)場工作人員的工作量，提高了工作效率，通過這種裝置能真正實現(xiàn)煤礦井下膠帶機速度自動調(diào)節(jié)。

4 取得成果

“KHP 290型煤礦用帶式輸送機載荷帶速控制裝置”于2013年取得煤安標志(MAB 130945)。截止目前，該裝置是國內(nèi)首次研制，也是唯一取得煤礦用帶式輸送機載荷帶速控制裝置安標證的。

2013年12月礦山皮帶能耗管理系統(tǒng)技術被列入發(fā)改委國家重點節(jié)能技術推廣目錄第6批第2項——皮帶機變頻能效系統(tǒng)技術。

5 結(jié)語

2012年至今該項目先后在開灤蔚州煤業(yè)單候煤礦和興源煤礦、開灤集團錢家營煤礦、晉煤集團長平煤礦、陽煤集團開元煤礦、陜西銅川煤業(yè)集團下石節(jié)煤礦、冀中能源集團邢臺邢東煤礦、峰峰煤業(yè)羊渠河煤礦、霍州辛置煤礦、同煤集團云岡煤礦和四臺煤礦以及襄垣七一煤業(yè)和陵川煤運關嶺山煤礦等投入使用，并取得了良好的節(jié)能和降耗效果。