晉煜杰

(霍州煤電集團 三交河煤礦 ， 山西 洪洞 041600)

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，煤炭需求量逐年增加，對煤炭采掘設(shè)備工作的節(jié)能要求也越來越高，引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注。膠帶輸送機作為煤炭井下采掘工作正常開展的重要運輸設(shè)備，承擔(dān)著將井下煤炭輸送至地面儲存站點的任務(wù)[1]。眾所周知，煤礦井下只要開展采煤工作，膠帶輸送機就要進入工作狀態(tài)，確保煤炭能夠準(zhǔn)時輸送，是工作時間最長的設(shè)備[2]。目前使用的膠帶運輸機采用的是恒速運轉(zhuǎn)，運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)低載高速甚至空載高速的問題，導(dǎo)致膠帶運輸機工作效率低下，電能的大量消耗，不符合煤炭綠色采掘的要求[3-6]。因此開展膠帶運輸機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究，對于提高膠帶運輸機的工作效率、實現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要的意義。

1 優(yōu)化策略分析

膠帶運輸機啟動會產(chǎn)生較大的沖擊電流，高達(dá)5～7倍的額定電流不僅造成電能的浪費，還存在燒毀電機的風(fēng)險。與此同時，電機的啟動會使膠帶張力劇增，出現(xiàn)膠帶打滑、降低膠帶壽命甚至斷帶事故。軟啟動作為電機的一種啟動方式，能夠降低電機啟動時的沖擊程度。隨著膠帶機功率需求的增大，單電機啟動功率較大，電機維護極為困難，多電機驅(qū)動模式可以實現(xiàn)大功率膠帶機的正常運行，但是多電機驅(qū)動功率不平衡問題難以避免。目前使用的膠帶輸送機運行模式落后、效率低下，優(yōu)化時可以采用增減電機數(shù)目或者調(diào)整運轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)，考慮改進的難易程度，優(yōu)先選用調(diào)速控制方式。變頻調(diào)速不僅能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動功能，實現(xiàn)多電機驅(qū)動功率的平衡，還能精準(zhǔn)控制電機的運行情況，實現(xiàn)膠帶輸送機的節(jié)能優(yōu)化控制。

2 變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)為的是實現(xiàn)膠帶輸送機運行速度的實時控制，其中涉及信號的檢測、數(shù)據(jù)的處理分析、電機速度的控制等，達(dá)到膠帶輸送機節(jié)能運行的目的。膠帶輸送機系統(tǒng)通常是由多級膠帶機組成，基于此設(shè)計以DSP為控制中心，采集電機電流信號，結(jié)合負(fù)載及轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)據(jù)，使電機按最佳轉(zhuǎn)速運行。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 DSP選型

系統(tǒng)要求具有較快的運算速度，傳統(tǒng)的單片機和PLC不能滿足實時控制需求，因此選擇DSP控制器，型號為TMS320F2812。該控制器使用的是靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻高達(dá)150 MHz，配備性能很好的32位CPU，具有很好的數(shù)據(jù)處理能力和實時控制性能。DSP控制器主要負(fù)責(zé)電機速度優(yōu)化計算和控制指令的生成。膠帶輸送機運行時，DSP接收傳感器信號數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理得出電機的最優(yōu)運行速度，發(fā)出控制信號至變頻器，調(diào)節(jié)電機的工作電壓和頻率，實現(xiàn)膠帶輸送機運行速度的調(diào)整。

2.2.2 變頻器

變頻器需配置在膠帶輸送機電機位置，服役條件極為苛刻，要求其具有較好的防爆性能，選擇型號為BPJI-47/660的礦用防爆安全型交流變頻器。膠帶輸送機運行時，結(jié)合工業(yè)實時電價和煤倉儲量，適時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。電價較高時，由DSP發(fā)出調(diào)節(jié)信號經(jīng)變頻器降低膠帶機運行速度，減少煤炭運輸量；電價較低時，由DSP發(fā)出調(diào)節(jié)信號經(jīng)變頻器提高膠帶機運行速度，增加煤炭運輸量。

2.2.3 膠帶秤

膠帶輸送機的運載載荷由膠帶秤實時監(jiān)測獲得，其可靠性要求較高，結(jié)合其工作環(huán)境的復(fù)雜性，選擇了防爆型核子稱。該稱的具體參數(shù)如下：適應(yīng)于輸送物料的寬度為200～2 000 mm；輸送速度為0～5 m/s；平均無故障工作時間不小于1 500 h；允許的水分變化值為±10%；主機的溫度范圍為0～50 ℃；主機的濕度范圍為10%～90%；主機功率為250 W；電源要求為50 Hz，220 VAC。

2.2.4 煤倉料位計

煤倉的煤炭存儲量作為膠帶輸送機優(yōu)化控制過程中不可忽視的重要因素，若膠帶輸送機的輸送量較大將會出現(xiàn)超出煤倉上限的情況，導(dǎo)致煤炭溢倉，若膠帶輸送機的輸送量較小，將會影響煤炭輸送的連續(xù)性，因此需要借助煤倉料位計實時監(jiān)測煤倉的儲煤量。市面上料位計的種類較多，結(jié)合使用環(huán)境和具體要求，確定選擇超聲波料位計，具體參數(shù)如下：發(fā)射角度為50°；過程溫度為-30～70 ℃；STD300的環(huán)境溫度為-30～60 ℃；SBD-300的環(huán)境溫度為-25～60 ℃；分辨率為10 mm；模擬量輸出信號為4～20 mA電流；采用型號為SPDT的繼電器；電氣的防護等級為I級。

2.2.5 轉(zhuǎn)速傳感器

膠帶輸送機控制前提是了解膠帶輸送機的實時運行情況，其中極為關(guān)鍵的是膠帶機的運行轉(zhuǎn)速，因此需要對其進行監(jiān)測，獲取轉(zhuǎn)速的實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計過程中選擇磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器進行膠帶輸送機轉(zhuǎn)速的監(jiān)測，工作原理是法拉第電磁感應(yīng)原理，能夠?qū)鞲衅鞑杉玫降臋C械轉(zhuǎn)速變量轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電量。膠帶輸送機初始轉(zhuǎn)動時，輸送帶依靠摩擦將會驅(qū)動靠輪旋轉(zhuǎn)運動，帶動傳感器的鐵芯轉(zhuǎn)動，使傳感器內(nèi)部磁路的磁阻出現(xiàn)波動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出正弦波信號，經(jīng)過信號放大處理之后即可將靠輪的實時轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為膠帶輸送機的實時運行速度。

2.2.6 智能顯示及人機對話裝置

智能顯示及人機對話裝置作為膠帶輸送機控制系統(tǒng)的人機交互窗口，是顯示和控制膠帶輸送機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)，設(shè)計過程中選擇的具體部件參數(shù)如下：機箱的型號為IPC-810B；電源的型號為PS-7270(ATX)；底板的型號為IPC-6113LP4；系統(tǒng)的內(nèi)存為1 G；CPU的型號為E5200；硬盤的存儲量為250 G。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 主程序

膠帶運輸機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)主要包括膠帶輸送機的軟啟動、多電機功率平衡控制以及變頻調(diào)速節(jié)能控制等模塊。膠帶秤檢測膠帶輸送機運行過程中的物料數(shù)據(jù)，將其傳輸至系統(tǒng)的DSP控制中心，結(jié)合傳感器檢測得到膠帶機運行參數(shù)，確定膠帶輸送機的最優(yōu)運轉(zhuǎn)速度，之后由DSP發(fā)出膠帶輸送機驅(qū)動電機運行速度信號，經(jīng)變頻器完成驅(qū)動電機的速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電機的節(jié)能控制?？刂葡到y(tǒng)的主程序控制流程如圖2所示。

圖2 主程序控制流程

2.3.2 變頻調(diào)速程序

變頻調(diào)速程序的主要作用是接收DSP發(fā)出的調(diào)速控制信號，調(diào)整驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動頻率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，保證膠帶輸送機工作狀態(tài)最優(yōu)，滿足膠帶輸送機工作節(jié)能降耗的要求，達(dá)到膠帶輸送機運行過程中高電價低運轉(zhuǎn)，低電價高運轉(zhuǎn)的目的。具體流程如圖3所示。

2.3.3 緊急情況處理程序

膠帶輸送機運行時，如果煤倉儲量超出上限值就會出現(xiàn)溢倉情況，相反如果煤倉儲量低于下限就會出現(xiàn)空倉情況，不利于膠帶輸送機的連續(xù)可靠運行。緊急情況處理程序為的是避免上述情況出現(xiàn)，具體流程如圖4所示。

圖3 變頻調(diào)速控制流程

圖4 緊急情況處理控制流程

2.3.4 軟啟動控制程序

膠帶輸送機啟動時為了降低其對膠帶的沖擊作用，設(shè)計了軟啟動控制程序，控制信號由DSP發(fā)出，采用設(shè)定好的速度斜坡曲線，借助變頻器實現(xiàn)膠帶輸送機啟動時的速度調(diào)整。具體的控制流程如圖5所示。

圖5 軟啟動控制流程

2.3.5 功率平衡控制程序

為了解決多驅(qū)動電機運行功率不平衡的問題，實現(xiàn)各個電機正常運行，系統(tǒng)中設(shè)計了功率平衡控制程序，以此保證膠帶輸送機穩(wěn)定可靠的工作。具體控制流程如圖6所示。

圖6 功率平衡控制流程

3 應(yīng)用效果評價

為了驗證膠帶運輸機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，將其應(yīng)用于三交河煤礦井下膠帶輸送機試運行，進行了為期半年的跟蹤記錄。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)膠帶輸送機電機的平穩(wěn)啟動、功率恒定、節(jié)能降耗的目的。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計，該系統(tǒng)的投入使用，輸送機膠帶的壽命延長近20%，電機故障率降低近30%，膠帶輸送機的工作效率提升近15%，電能消耗降低約8%，為企業(yè)產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益近150萬/a，取得了很好的應(yīng)用效果。