武宏光

（西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，煤炭消耗量逐年增加，煤炭掘進工作日益繁重[1]。煤炭行業(yè)得以正常進行的重要資源是電能，其支撐煤炭空壓系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)等運行，其中帶式輸送機是煤礦企業(yè)能耗最大的設(shè)備[2-3]。帶式輸送機在煤炭生產(chǎn)過程中連續(xù)作業(yè)，目前較為常見的能耗問題是因為煤炭產(chǎn)量不均，出現(xiàn)全負荷功率條件下輸送較少的煤炭，導(dǎo)致能源利用率較低[4]。故而，為了降低煤炭掘進的成本，有待進一步提升帶式輸送機的運送效率。研究表明[5-6]，目前各大煤炭企業(yè)服役的帶式輸送機多是恒速運行模式，不能適時進行調(diào)整。因此，筆者基于某煤炭企業(yè)服役中的帶式輸送機現(xiàn)有控制系統(tǒng)，開展節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，此舉對于提高帶式輸送機的利用率，降低其運行能耗具有重要的意義。

1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)組成及工作原理

帶式輸送機結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，包括輸送帶、驅(qū)動裝置、張緊裝置、清掃裝置和托輥等。輸送帶用于承接煤炭并牽引煤炭將其運至地面，要求其具有足夠的強度和耐腐蝕性能；驅(qū)動裝置用于驅(qū)動帶式輸送機的主動滾筒，通常采用雙滾筒，以適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境；張緊裝置用于保證輸送帶具有一定的張緊力，使其與主動滾筒之間具有足夠的摩擦力，避免打滑；清掃裝置用于清掃輸送帶運行軌跡上的煤炭殘渣，避免輸送帶出現(xiàn)跑偏或結(jié)構(gòu)部件的過度磨損；托輥用于承重及防止輸送帶跑偏，要求具有較好的抗沖擊能力，運轉(zhuǎn)靈活。

圖1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)組成

帶式輸送機工作過程中，驅(qū)動裝置帶動驅(qū)動滾筒連續(xù)運轉(zhuǎn)，借助輸送帶與驅(qū)動滾筒之間的摩擦力，驅(qū)動輸送帶連續(xù)運轉(zhuǎn)。為了避免輸送帶具有較大的垂度，驅(qū)動滾筒和轉(zhuǎn)向滾筒之間設(shè)置多個托輥。當(dāng)輸送帶連續(xù)運行出現(xiàn)松弛時，通過張緊裝置進行調(diào)節(jié)。

2 節(jié)能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合礦用帶式輸送機結(jié)構(gòu)及工作原理，開展了帶式輸送機節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計，如圖2 所示給出了節(jié)能系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。其工作流程如下：一是監(jiān)測帶式輸送機煤倉內(nèi)部的煤儲量、煤炭供應(yīng)的速度和帶式輸送機運轉(zhuǎn)的速度；二是將監(jiān)測得到的煤儲量、上煤速度和運轉(zhuǎn)速度實測值傳送至節(jié)能控制系統(tǒng)；三是通過系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分析和處理，確定系統(tǒng)的總能耗，對比分析數(shù)據(jù)，確定能耗最低的運行模式，以便降低能耗和煤炭生產(chǎn)成本。為了保證帶式輸送機運行過程中的穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計時考慮了帶式輸送機突發(fā)狀況及周圍環(huán)境中可能存在的影響因素。

圖2 節(jié)能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計

3.1 傳感元器件

為了適應(yīng)帶式輸送機較為惡劣的服役環(huán)境，傳感元器件多為防爆型，其中涉及皮帶秤，選擇的是ICS 電子皮帶秤，配置了稱重、測速、統(tǒng)計和通信四大功能；煤倉料位計，選擇的是SBD/STD 型號的超聲波料位計，能夠輸出4～20 mA 標準信號；變頻器選擇的是BPJ 系列礦用防爆型交流變頻器，配置了軟啟動、調(diào)速優(yōu)化、功率平衡等功能；速度傳感器用于監(jiān)測輸送帶的運轉(zhuǎn)速度；還有一些保護類傳感器，如堆煤監(jiān)測、撕裂監(jiān)測、跑偏監(jiān)測等。

3.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 作為節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)帶式輸送機節(jié)能控制的基礎(chǔ)。選擇的是S7-1200 控制芯片，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和通信傳輸功能，能夠匹配系統(tǒng)中其他元器件的控制需求。根據(jù)帶式輸送機節(jié)能控制需求，配置PLC 內(nèi)部模塊：主控制器選擇CPU1214C DC/DC/DC 模塊，供電選擇PM1207 模塊，數(shù)字量輸入選擇SM1221 DI8×24 V DC 模塊，模擬量輸入選擇SM1231 AI4×13 bit 模塊，通信選擇CM1243-5 模塊?；赑LC 各個模塊配置的型號，完成了節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計工作，如圖3 所示給出了PLC 及其相關(guān)模型的接線配置圖。

圖3 PLC 及其相關(guān)模型的接線配置圖

4 軟件設(shè)計

4.1 軟啟動控制

帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)中軟啟動控制模塊的工作原理是，通過控制驅(qū)動裝置的運行功率，使其按照規(guī)定的軟啟動曲線進行緩慢啟動，避免帶式輸送機滿功率啟動，產(chǎn)生較大的電能消耗。具體工作流程如下：啟動帶式輸送機進行預(yù)警，確定各個保護裝置運行正常之后開啟抱閘，之后驅(qū)動電機上電并啟動散熱風(fēng)扇和張緊裝置，確定輸送帶張力正常之后啟動電機變頻器，按照S 形曲線控制頻率從0 增加至設(shè)定數(shù)值，此過程控制驅(qū)動裝置緩慢受載啟動，實現(xiàn)軟啟動功能。

4.2 功率平衡控制

為了確保井下帶式輸送機工作的可靠性，通常設(shè)置多個驅(qū)動電機，此處研究的帶式輸送機為兩個驅(qū)動電機的形式。帶式輸送機運行時兩個驅(qū)動電機同時運行，需要保證電機的功率平衡，以便提升帶式輸送機的工作穩(wěn)定性。功率平衡控制流程如圖4 所示，其中IP 為兩個驅(qū)動電機的平均電流數(shù)值，I1和I2為兩個驅(qū)動電機的實際采集電流數(shù)值。

圖4 功率平衡控制流程

4.3 系統(tǒng)優(yōu)化控制

以煤礦井下帶式輸送機運行過程中的實時監(jiān)測數(shù)值為基礎(chǔ)，設(shè)計系統(tǒng)優(yōu)化控制程序，及時調(diào)整帶式輸送機的運轉(zhuǎn)速度和煤炭供給量，以實現(xiàn)帶式輸送機工作在最優(yōu)狀態(tài)，降低系統(tǒng)的能耗。具體控制流程如下：啟動帶式輸送機后，在各項保護功能正常的情況下，軟啟動開啟，完成帶式輸送機啟動之后，系統(tǒng)自動監(jiān)測是否工作在最優(yōu)狀態(tài)，如果沒有開啟優(yōu)化運算，進行帶式輸送機運轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)功率平衡控制。

4.4 系統(tǒng)故障預(yù)警

帶式輸送機連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中不可避免地出現(xiàn)故障問題，設(shè)置必要的保護裝置監(jiān)測得到故障信息，將故障信息傳輸至PLC，及時停止帶式輸送機運轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)更大的故障，同時能夠?qū)收线M行分析，發(fā)出故障預(yù)警信號，提示監(jiān)控人員快速作出故障響應(yīng)，確保發(fā)生故障的帶式輸送機在最短時間內(nèi)恢復(fù)正常運行。系統(tǒng)故障預(yù)警工作流程如下頁圖5 所示，其中驅(qū)動滾筒的速度為V1。

圖5 系統(tǒng)故障預(yù)警程序

4.5 上位機

根據(jù)帶式輸送機人機交互界面的需求，完成了上位機監(jiān)控界面的設(shè)計。當(dāng)輸送機運行狀態(tài)為綠色時，運轉(zhuǎn)良好；顯示紅色時，表示輸送機系統(tǒng)出現(xiàn)了某些故障；顯示灰色時，表示輸送機停止運轉(zhuǎn)。同時可以讀取輸送機系統(tǒng)的供煤速度、輸送帶運行速度和系統(tǒng)的總功率等參數(shù)實時數(shù)值。系統(tǒng)中實時顯示兩個驅(qū)動電機的運行參數(shù)，使帶式輸送機處于最優(yōu)狀態(tài)下工作。當(dāng)帶式輸送機出現(xiàn)運行參數(shù)偏離時，也可以人工調(diào)節(jié)上位機實現(xiàn)帶式輸送機參數(shù)的遠程修改和控制。

5 應(yīng)用效果評價

為了驗證帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性和效果，將其應(yīng)用于某煤炭生產(chǎn)企業(yè)正在服役的帶式輸送機進行試運行，記錄運行情況。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可滿足帶式輸送機節(jié)能控制要求。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于原控制系統(tǒng)，節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了帶式輸送機近14%的電能消耗，降低了近10%的故障停機時間，節(jié)省了運行維護人員，提高了帶式輸送機的運行安全性，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近100 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。