煤礦帶式輸送機運輸系統節能方案的探討

王明星

（西山煤電（集團）有限責任公司官地選煤廠， 山西 太原 030022）

引言

受所處環境及運輸物料性狀等因素影響，煤礦帶式輸送機產生較為嚴重的磨損情況，并損耗大量電能，因此應用一種可實現運輸系統高效、安全、節能的技術系統已成為煤礦生產企業亟需解決的問題。可編程控制器是專為工業生產而開發的數字運算操作電子系統，其具有使用簡便、兼容性能好、支持多種通訊方式等優點，是自動操作系統的重要組成部分。因此，設計一種將可編程控制器應用于煤礦帶式輸送機運輸系統中的節能方案。

1 煤礦帶式輸送機自動運輸系統的組成

1.1 控制系統

控制系統為煤礦帶式輸送機自動運輸系統的主要組成部分，具備系統邏輯化控制、數據采集與處理、信號輸出等多種功能。美國羅克韋爾公司制造的Logix1756 可編程控制器在構建控制系統時應用較為廣泛，具有穩定性能極佳的特點。此控制器能夠實現無擾動切換，并且利用率較高。由于此控制器采用了模塊化的構造，從而使其自身具有很強的功能擴展能力。系統采用了RSLogix5000 編程軟件進行設計，并配置了Contro1Logix® 系統。因系統需在較為惡劣的環境下連續運行，故采用了雙CPU 冗余技術，可保障系統的穩定運行及安全性[1]。

1.2 變頻驅動系統

變頻驅動系統主要由交流變頻器、控制器、三相交流異步電動機組成，其中三相交流異步電動機與直流電動機相比，具有結構簡單、操作便捷、效率高、成本低廉等諸多優點，因自身具備較強的機械牽引性能，使其獲得了廣闊的應用前景。變頻驅動系統應用了東芝三菱株式會社生產的TMdrive-MV 高壓變頻器。此變頻器工作效率較高，并可應用于不同的工作環境中，使用了Multi-LevelPWM 控制，極大保障了變頻器的正常運行[2]。

1.3 運輸機保護系統

由于帶式輸送機在輸煤過程中有可能會發生各種不可預見的風險因素，為實現輸送機的安全運轉，故加入了保護系統。天津華寧生產的KTC101 保護系統具有良好的穩定性能，可實現實時對膠帶機的保護，尤其在斷帶保護方面效果極佳。保護系統可實現對故障的檢測并自動發出報警信息。

1.4 監控系統

自動運輸系統處于工作狀態時，應實時了解到系統的運行情況并實現自動控制功能。因此在自動運輸系統中加入了監控系統并設置了上位界面。在上位界面中主要設置了主控窗口、設備窗口、運行策略、數據庫、安全系統等，一旦出現緊急情況，各子系統能夠對故障進行及時處理。

2 控制程序的設計

控制程序采用順序控制方式進行邏輯設計，使其能夠滿足運輸需求，并將掃描周期設置為0.01 ms。同時為實現系統的穩定性，將控制方式設置為自動及手動兩種模式。在處于自動模式下運行時，系統可自主設置相應的運行參數，如將變頻器高中低擋速率分別設置為50 Hz、30 Hz、10 Hz，并在運行時進行實時自動調節。在手動模式下，可進行單軸的手動模式運行，并設置不同的運動速率。如輸送機傳送帶出現故障，即可采取手動模式進行操作。出于操作便捷性的考慮，設置了兩種操作模式的一鍵切換功能，同時在控制程序中設置了緊急停止功能，可有效避免因意外情況導致的輸送機斷帶事故。

3 煤礦帶式輸送機運輸系統節能控制分析

3.1 工作原理

運輸系統節能原理主要是提高系統的工作效率，并減少不必要的能源損耗。帶式輸送機屬于恒轉矩負載，及時轉速產生改變，轉矩始終維持在固定值。轉矩計算公式為：

式中：Te為轉矩；pm是電動機功率；w為阻力系數；n為轉速。

帶式輸送機作為主運輸皮帶，在完成設備檢修后，系統即會啟動。順槽皮帶啟動在主運輸皮帶啟動之后，并且采煤設備為最后啟動步驟，使得此系統主要出于空載運行的狀態。另外由于受到煤礦生產條件的制約，經常會出現采煤設備的損壞情況，這進一步增加了系統的空載時間，造成設備損耗較多，因此應從此角度提升系統的節能效果。

3.2 節能控制

在進行運輸系統的節能分析前，應首先明確運輸系統能耗與各項運行參數的關系。通過對運輸系統在不同工作條件下的測試，可見能耗因物料填充率的升高而增加，并與輸送帶帶速及物料質量密切相關。可采用以下計算公式表示：

式中：qm為帶式輸送機在填充率為100%時物料的單位長度質量；V為傳送帶運行速度；Q為傳送帶流量。

在帶式輸送機設計環節中，應依據系統最大運量進行各項參數的設定，但由于實際生產中無法達到系統的最大運量，因此應按照實際運行情況設計帶速，可得到運行功率Pr=空載消耗功率附加功率。式中：f為傳送帶的摩擦系數；H為物料實際提升的高度；Qm為煤流量；v為傳送帶運行速度；L為傳送帶實際長度。從中可以看出，在其他數值固定的情況下，能耗率僅與帶速及煤流量相關。據此可知，只需控制好帶速及煤流量即可實現對帶式輸送機運輸系統進行節能控制。

通過上述分析可知，在此系統中，要合理分布膠帶負載，并將輸送機帶速分為幾個等級，通過結合煤機速度、電機電流等各項數據，使輸送機能夠在不同工況時實現自主調節，從而達到節能目的。

3.3 控制改造方案

1）順煤流起車。順煤流起車在帶式輸送機將物料卸載后即可應用，如發生故障導致停機及檢修期間，此操作控制系統中具有順煤流、逆煤流、手動等方式，可依據具體情況選擇合適的啟動方式。在啟動時應先開啟帶式輸送機，待其啟動完畢后，可按順序啟動其他煤礦設備，如轉載機、刮板運輸機，同時在煤流運行至機器尾部的傳感器附近時，再啟動下游的帶式輸送機[3]。

2）智能調速。帶式輸送機上的物料流量處于不斷的變化過程中，為降低煤量變化對控制系統的影響，可依據煤流量的實際情況調整速度變化區間，并于各區間內設置補償值，降低調速頻率，并采取逐步遞增或遞減的方式調節帶速，從而避免變頻器誤動作及機械受到沖擊后產生振動。在運輸系統中開啟節能調速功能后，處于下游的帶式輸送機可通過上游傳感器檢測到的煤量自主調節輸送機帶速。

4 應用效果

通過研究并制定出煤礦帶式輸送機運輸系統節能方案，并將其應用于生產一線中，實際使用效果良好。通過考察并記錄方案實施前后的各項數據，發現改造后的節能效率取得了重大突破，運煤成本實現了大幅降低。