劉妍萍

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

帶式輸送機(jī)是煤礦開采中非常重要的輸送裝備，主要作用是對(duì)開采獲得的煤礦物料進(jìn)行輸送。正常開采過程中帶式輸送機(jī)需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，是井下能源消耗大戶[1]。目前部分煤礦中使用的帶式輸送機(jī)以額定功率運(yùn)行，但是受煤礦開采過程的影響，帶式輸送機(jī)經(jīng)常處于欠載甚至空載的狀態(tài)，造成了電力能源的浪費(fèi)問題[2]。能耗是煤礦企業(yè)運(yùn)行中的重要成本，電能浪費(fèi)導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益降低，也與節(jié)能減排的大趨勢(shì)背道而馳，不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。基于此，有必要結(jié)合煤礦實(shí)際情況對(duì)礦井帶式輸送系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，一方面實(shí)現(xiàn)設(shè)備的軟啟動(dòng)，降低對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備本身的沖擊，另一方面實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)輸過程速度的動(dòng)態(tài)調(diào)整，在保證基本運(yùn)輸需求的基礎(chǔ)上，降低帶式輸送機(jī)的能源消耗，為企業(yè)節(jié)省運(yùn)行成本[4]。

本文以某煤礦為例，對(duì)帶式輸送系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中,取得了很好的效果。

1 煤礦及帶式輸送機(jī)概述

1.1 礦井基本情況

某礦井占地面積為15.8 km2，目前已經(jīng)探明的煤炭儲(chǔ)量和可以開采的煤炭儲(chǔ)量分別為1.67億t和1.08億t。煤礦采用機(jī)械化裝備開采，每年可開采煤炭資源達(dá)到150萬t，煤層平均厚度7.5 m，傾角10°～11°。利用帶式輸送機(jī)對(duì)煤炭資源以及其他輔助工具、矸石等進(jìn)行運(yùn)輸。根據(jù)煤礦的產(chǎn)量，每天可以采出煤炭5 000 t，每天實(shí)際開機(jī)時(shí)間按平均18 h計(jì)算，則每小時(shí)采出的煤炭資源量為278 t左右。除采煤機(jī)外，工作面中還設(shè)置有SGZ-730/320型刮板輸送機(jī)、DSP-1080/1000型帶式輸送機(jī)以及SZZ-730/160型轉(zhuǎn)載機(jī)等。

1.2 帶式輸送機(jī)

煤礦中使用型號(hào)為DSP-1080/1000的帶式輸送機(jī)，設(shè)備的最大長度為1 000 m,由尾部滾筒、改向滾筒、托輥、膠帶、拉緊滾筒和拉緊小車等部分構(gòu)成(圖1)。由電機(jī)輸出的動(dòng)力傳入傳動(dòng)滾筒，傳動(dòng)滾筒與膠帶之間通過摩擦力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)膠帶作循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)煤礦物料及其他物質(zhì)的輸送[5]。拉緊小車的作用是實(shí)現(xiàn)膠帶的張緊，確保膠帶與傳動(dòng)滾筒之間具有足夠的摩擦力，避免出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。另外，拉緊小車還可以對(duì)膠帶長度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)伸縮的效果。

圖1 帶式輸送機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Main structure of belt conveyor

2 帶式輸送系統(tǒng)優(yōu)化策略分析

2.1 帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)

帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)如果不采取任何措施，不僅會(huì)產(chǎn)生非常大的沖擊電流，電流值是正常工作時(shí)電流的5～7倍，還會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備造成顯著的沖擊。上述現(xiàn)象的存在，輕則對(duì)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致設(shè)備無法工作。通過對(duì)啟動(dòng)過程進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)可以有效規(guī)避上述問題。帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)階段速度和加速度的演變曲線如圖2所示，可以看出，不管是加速度還是速度都是一個(gè)逐漸演變的過程，可以很好地緩解對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備造成的沖擊[6]。

圖2 帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)的速度和加速度曲線Fig.2 Speed and acceleration curves for soft start of belt conveyor

由圖2可知，啟動(dòng)階段膠帶的速度按S形曲線變化，速度演變方程可用式(1)描述[7]：

(1)

式中，v(t)和v0分別為在t時(shí)刻膠帶的運(yùn)行速度和穩(wěn)定狀態(tài)下的運(yùn)行速度；T0為整個(gè)啟動(dòng)階段的時(shí)間；一般啟動(dòng)時(shí)間T0=0.06L，L為設(shè)備整體長度。

膠帶的加速度演變曲線可以用式(2)描述：

(2)

啟動(dòng)剛開始階段，速度和加速度均為0，此時(shí)加速度按正弦曲線逐漸增大，在T0/2時(shí)刻加速度達(dá)到最大值，此時(shí)的膠帶速度為v0/2。隨后加速度按正弦曲線逐漸降低，但是膠帶速度繼續(xù)增加，增加幅度不斷降低，最后達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的穩(wěn)定運(yùn)行速度后保持穩(wěn)定。

2.2 變頻調(diào)速優(yōu)化

煤礦開采過程中帶式輸送機(jī)需要時(shí)刻保持運(yùn)行狀態(tài)，是煤礦中比較典型的電能消耗大戶。受煤礦開采過程的影響，帶式輸送機(jī)很多時(shí)候處于欠載甚至空載的狀態(tài)，浪費(fèi)了大量的電力能源。因此，可以利用調(diào)速技術(shù)根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際工況對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到節(jié)省電力能源的效果。目前可以對(duì)速度進(jìn)行控制的技術(shù)有很多種，包括電磁調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、變頻調(diào)速等[8]。其中，變頻調(diào)速技術(shù)近年來獲得了較好的發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。因此，本系統(tǒng)基于變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程的速度進(jìn)行調(diào)整控制。利用變頻調(diào)速還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的軟啟動(dòng)。

3 基于DSP的帶式輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

對(duì)于煤礦而言，通常需要多部帶式輸送機(jī)同時(shí)工作才能將采集得到的煤礦物料輸送到地面。礦井帶式輸送系統(tǒng)的整體方案如圖3所示。該系統(tǒng)以DSP控制器作為控制中心，利用傳感器對(duì)帶式輸送機(jī)中的變頻器、電機(jī)運(yùn)行情況、膠帶速度等進(jìn)行檢測，作為反饋信號(hào)。DSP控制器根據(jù)檢測結(jié)果分析后下達(dá)指令，控制變頻器的輸出頻率，確保帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度保持在最佳狀態(tài)。

圖3 帶式輸送系統(tǒng)整體方案Fig.3 Overall scheme block diagram of belt conveyor system

3.2 系統(tǒng)的主要硬件組成

(1)DSP控制器選型設(shè)計(jì)?？刂破魇菐捷斔拖到y(tǒng)中非常關(guān)鍵和核心的硬件設(shè)施，其性能好壞會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。特別是該系統(tǒng)中，需要同時(shí)對(duì)多臺(tái)帶式輸送機(jī)進(jìn)行控制，涉及很多檢測數(shù)據(jù)的傳輸及其運(yùn)算，對(duì)控制器性能要求更高。在分析系統(tǒng)實(shí)際需要及市場控制器類型的基礎(chǔ)上，選用的是DSP控制器，具體型號(hào)為TMS320F2812。該控制器中的處理器為32位，正常工作時(shí)的運(yùn)算頻率可以達(dá)到150 MHz，具有很好的運(yùn)算性能，在工業(yè)領(lǐng)域具有比較廣泛的應(yīng)用，運(yùn)算性能方面完全能夠滿足輸出系統(tǒng)的實(shí)際工作需要[9]。

TMS320F2812控制器基于模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)芯片由不同的模塊進(jìn)行組裝而成，不同模塊發(fā)揮不同作用，比較重要的模塊有CPU模塊、I/O接口模塊、通信模塊等。不同模塊對(duì)供電需求存在差異，整體可以分為2類，分別為+1.8 V和+3.3 V。因此，需要設(shè)計(jì)專門的電路對(duì)供電電源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)換成為不同等級(jí)的電壓，供不同硬件設(shè)施使用?？刂破麟娐吩砣鐖D4所示，利用該電路可以將外部電壓轉(zhuǎn)換成為+1.8 V和+3.3 V電壓，可以滿足TMS320F2812控制器的實(shí)際使用需要。

圖4 TMS320F2812電路原理示意Fig.4 TMS320F2812 circuit schematic diagram

(2)變頻器的選型設(shè)計(jì)。對(duì)于設(shè)計(jì)的帶式輸送系統(tǒng)，變頻器同樣是非常關(guān)鍵的硬件設(shè)施，其性能好壞會(huì)直接影響變頻調(diào)速效果，且煤礦工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)變頻器的要求更高，必須選用防爆型變頻器[10]。結(jié)合實(shí)際情況選用的是BPJI-47/660型變頻器。變頻器的作用是將固定的50 Hz電壓轉(zhuǎn)換成為想要的電壓頻率，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程可以劃分成為3大環(huán)節(jié)，分別為整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)，變頻器3大環(huán)節(jié)的主要原理如圖5所示。由圖5可知，整流環(huán)節(jié)主要由多個(gè)二極管構(gòu)成，對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)行整流處理，然后進(jìn)入中間直流環(huán)節(jié)。直流環(huán)節(jié)主要由電阻、電容、二極管等元器件構(gòu)成，作用是將交流電壓轉(zhuǎn)換成為直流電壓。最后一個(gè)環(huán)節(jié)為逆變環(huán)節(jié)，作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成為交流電壓，同時(shí)對(duì)電壓頻率根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，確保輸出的電壓仍然為正弦波變化的交流電壓，輸出的電壓直接對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行供電。

圖5 變頻器的主要原理示意Fig.5 Schematic diagram of the main principle of the inverter

(3)膠帶秤的設(shè)計(jì)。為了達(dá)到節(jié)能減排，降低能耗的效果，需要利用膠帶秤對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)際輸送的煤礦物料質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，然后根據(jù)運(yùn)輸質(zhì)量對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整。該案例中選用的是安全防爆型膠帶秤，可以適應(yīng)的膠帶寬度和運(yùn)行速度分別為200～2 000 mm和0～5 m/s，能滿足該系統(tǒng)的需要。設(shè)備的主機(jī)功率和秤體功率分別為250 W和50 W，供電電壓為220 V，頻率為50 Hz，能適應(yīng)的環(huán)境溫度和濕度分別為0～50 ℃和1%～90%，可連續(xù)工作15 000 h。

(4)煤倉位計(jì)的設(shè)計(jì)。煤倉中的煤炭資源體積是帶式輸送機(jī)運(yùn)行的重要約束條件，如果煤倉物料較多則應(yīng)該加快輸送速度，避免溢出；相反如果煤倉中的物料體積相對(duì)較少則可以適當(dāng)降低輸送速度。該系統(tǒng)使用超聲波料位計(jì)對(duì)煤倉中的煤炭儲(chǔ)量進(jìn)行檢測。能夠適應(yīng)的環(huán)境溫度為-30～70 ℃，發(fā)射角為5°，分辨率可以達(dá)到10 mm，輸出4～20 mA的電流信號(hào)。

(5)轉(zhuǎn)速傳感器選型設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中需要對(duì)滾筒的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，以此分析膠帶的實(shí)際運(yùn)行速度。所以轉(zhuǎn)速檢測精度會(huì)直接影響輸送系統(tǒng)運(yùn)行的性能?；诖抛枋睫D(zhuǎn)速傳感器對(duì)滾筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，型號(hào)為GSH5，其基本工作原理為法拉第電磁感應(yīng)技術(shù)，能夠?qū)⑿D(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換成為脈沖電量，再根據(jù)脈沖電量間隔計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速。該傳感器工作時(shí)的額定電壓和電流分別為DC 12 V和50 mA，測量誤差可以控制在0.5%范圍以內(nèi)。

4 帶式輸送系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的帶式輸送系統(tǒng)主要是對(duì)設(shè)備的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，運(yùn)行過程中能根據(jù)煤礦物料質(zhì)量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿旱V物料質(zhì)量利用膠帶秤進(jìn)行檢測，將結(jié)果傳輸?shù)紻SP控制器中，并與速度傳感器采集得到的膠帶速度進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)內(nèi)置的優(yōu)化策略對(duì)帶式輸送機(jī)速度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并下達(dá)指令。變頻器根據(jù)指令對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)整?；谀K化思想對(duì)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，由1個(gè)主程序和多個(gè)子程序構(gòu)成。

4.1 系統(tǒng)的主程序

帶式輸送系統(tǒng)主要工作流程如圖4所示。系統(tǒng)通電后進(jìn)行啟動(dòng)預(yù)告，檢測保護(hù)是否正常，如果存在異常會(huì)向外發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如果一切正常則基于軟啟動(dòng)方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)處理。完成啟動(dòng)后對(duì)膠帶運(yùn)行速度進(jìn)行檢測，并與煤礦輸送質(zhì)量進(jìn)行匹配，檢測膠帶速度是否達(dá)到調(diào)速要求，如果需要調(diào)速，則基于內(nèi)置的優(yōu)化算法對(duì)膠帶速度進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，并利用變頻器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，直到速度與質(zhì)量匹配為止。

4.2 系統(tǒng)的主要子程序

(1)變頻調(diào)速程序。帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中為了達(dá)到節(jié)能減排的效果，設(shè)計(jì)了優(yōu)化調(diào)整策略，能根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)輸?shù)拿旱V物料質(zhì)量，對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。帶式輸送系統(tǒng)變頻調(diào)速工作流程如圖7所示。由圖7可知，程序開始運(yùn)行后利用傳感器對(duì)膠帶的運(yùn)載量及其運(yùn)行速度進(jìn)行檢測，檢測的信號(hào)在DSP控制器中進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)判斷是否滿足約束條件。如果滿足約束條件則根據(jù)設(shè)置的優(yōu)化運(yùn)算程序?qū)δz帶速度進(jìn)行優(yōu)化，控制器下達(dá)指令對(duì)變頻器的輸出電壓頻率進(jìn)行調(diào)整，確保膠帶速度與運(yùn)載量相匹配。如果不滿足約束條件，比如煤倉中的煤量降低至下限值，則下達(dá)指令進(jìn)行緊急處理。

圖6 帶式輸送系統(tǒng)主要工作流程Fig.6 Main working flow chart of belt conveying system

圖7 變頻調(diào)速工作流程Fig.7 Frequency conversion speed regulation work flow chart

(2)軟啟動(dòng)程序。帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)的主要工作流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后程序開始運(yùn)行，對(duì)相關(guān)硬件設(shè)施進(jìn)行初始化處理，由DSP控制器下達(dá)啟動(dòng)指令，并完成啟動(dòng)預(yù)告工作。檢查保護(hù)是否正常，如果不正常則拒絕啟動(dòng)，如果正常則按照設(shè)定的S形曲線方式進(jìn)行啟動(dòng)。

圖8 帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)工作流程Fig.8 Working flow chart of soft start of belt conveyor

5 應(yīng)用效果

帶式輸送機(jī)在沒有使用設(shè)計(jì)的輸送系統(tǒng)前，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊，影響井下供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性，且設(shè)備故障率居高不下，運(yùn)行中消耗的電能很多，造成了一定的電能浪費(fèi)。為了驗(yàn)證帶式輸送系統(tǒng)的性能，將其部署到煤礦工程實(shí)踐中，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試確保無誤后正式投入使用。

經(jīng)過現(xiàn)場工作人員的反饋，發(fā)現(xiàn)輸送系統(tǒng)取得了較好的應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果?？梢园凑障到y(tǒng)設(shè)定的S形曲線實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，也可根據(jù)實(shí)際輸送的煤礦質(zhì)量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，有效規(guī)避了設(shè)備長時(shí)間高功率運(yùn)行產(chǎn)生的涌浪電流和電壓，延長了相關(guān)電氣元件的使用壽命。對(duì)煤礦中的5臺(tái)帶式輸送機(jī)用電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)使用帶式輸送系統(tǒng)以后，每年可以節(jié)省的用電負(fù)荷達(dá)到了610 kW，節(jié)省的用電量大約為360 萬kWh，電費(fèi)按照0.5元/kWh計(jì)算，則每年可以為企業(yè)節(jié)省180萬元的電費(fèi)。帶式輸送機(jī)使用系統(tǒng)前后空載電流的對(duì)比情況如圖9所示。由圖9可知，在空載運(yùn)行狀態(tài)下，使用輸送系統(tǒng)前，電機(jī)運(yùn)行功率相對(duì)較大；使用該系統(tǒng)以后，空載時(shí)電機(jī)的實(shí)際工作電流降低到了一個(gè)很低的水平。

圖9 帶式輸送機(jī)使用系統(tǒng)前后空載電流的對(duì)比情況Fig.9 Comparison of no-load current of belt conveyor before and after using the system

另一方面，系統(tǒng)的應(yīng)用使得帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性提升，設(shè)備故障率出現(xiàn)了大幅度降低，在確保設(shè)備運(yùn)行安全的同時(shí)，為企業(yè)節(jié)省了一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本。設(shè)備穩(wěn)定性提升為煤礦開采效率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益是不可估量的。綜上所述，帶式輸送系統(tǒng)在煤礦工程中的成功實(shí)踐應(yīng)用，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，獲得了現(xiàn)場技術(shù)人員的一致認(rèn)可，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

6 結(jié)論

以煤礦中重要的運(yùn)輸裝備帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了輸送系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

(1)礦井帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備本身會(huì)造成很大的沖擊，影響礦井電網(wǎng)和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，導(dǎo)致設(shè)備故障率居高不下。穩(wěn)定運(yùn)行階段無法根據(jù)實(shí)際輸送的煤礦物料質(zhì)量對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，造成了電力能源的浪費(fèi)問題。

(2)利用TMS320F2812芯片和BPJI-47/660型變頻器建立了礦井多級(jí)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)S形曲線軟啟動(dòng)，并基于速度傳感器和煤量傳感器檢測結(jié)果對(duì)設(shè)備運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到保護(hù)設(shè)備和降低能源消耗的效果。

(3)軟件程序方面，基于模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的主要工作流程進(jìn)行了介紹，對(duì)軟啟動(dòng)工作流程和速度調(diào)整工作流程進(jìn)行了分析。

(4)將設(shè)計(jì)的帶式輸送系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，整體運(yùn)行效果良好，能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，并根據(jù)煤礦實(shí)際情況對(duì)膠帶運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，不僅保障了設(shè)備運(yùn)行過程的安全性，還為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。