皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化

暴躍新

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西晉城 048214）

0 引言

近幾年來，煤礦憑借著占我國能源消耗60%的比例，仍為我國的基礎(chǔ)能源。煤礦能源的使用雖然可以加快我國生產(chǎn)力的發(fā)展，但是產(chǎn)生了一些不好的影響，如環(huán)境污染嚴(yán)重、資源浪費(fèi)現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)等。為了減少這些不好影響的發(fā)生，應(yīng)對(duì)煤礦產(chǎn)業(yè)進(jìn)行嚴(yán)格管控，促進(jìn)煤礦開采方式的轉(zhuǎn)變，逐步放棄粗放性開采，轉(zhuǎn)而實(shí)行精細(xì)化開采，同時(shí)采用發(fā)展高產(chǎn)高效工作面的礦井代替低產(chǎn)低效且產(chǎn)能落后的礦井[1]。

煤礦行業(yè)開采用來運(yùn)輸煤礦的工具是皮帶運(yùn)輸機(jī)。但是因?yàn)榫旅旱V分布不均勻，則會(huì)出現(xiàn)采煤不均衡現(xiàn)象，即無論采煤量大小為多少，皮帶運(yùn)輸機(jī)始終以相同的功率、相同的速度運(yùn)行，這就會(huì)產(chǎn)生電能的浪費(fèi)，設(shè)備的生產(chǎn)效率降低。為了使皮帶運(yùn)輸機(jī)能夠根據(jù)皮帶上實(shí)際的承載量對(duì)設(shè)備的轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的功率做出適當(dāng)合理的調(diào)節(jié)控制，采用了變頻調(diào)速技術(shù)、節(jié)能控制技術(shù)2種技術(shù)。運(yùn)用此技術(shù)可以使皮帶運(yùn)輸機(jī)根據(jù)實(shí)際采煤量進(jìn)行速度和功率的調(diào)節(jié)和控制，提高生產(chǎn)效率，減少資源浪費(fèi)現(xiàn)象，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及基本性能

1.1 基本結(jié)構(gòu)

近幾年來，由于皮帶運(yùn)輸機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，可以滿足大運(yùn)量、高強(qiáng)度采煤工作的要求；在坡度陡峭的道路上仍然可進(jìn)行運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，使其成為井下采煤行業(yè)的主要運(yùn)輸設(shè)備。皮帶運(yùn)輸機(jī)的構(gòu)成包括：通過滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦，將牽引力傳送給輸送帶，帶動(dòng)輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而貨物運(yùn)輸作用的驅(qū)動(dòng)裝置；防止皮帶發(fā)生滑動(dòng)，拉近皮帶作用的張緊裝置；進(jìn)行煤量運(yùn)輸?shù)妮斔蛶В话ǜ南驖L筒及托輥并調(diào)節(jié)輸送帶方向的改向裝置等。

1.2 基本性能

皮帶運(yùn)輸機(jī)的基本性能包括輸送能力、帶速、帶寬、膠帶安全系數(shù)等。皮帶運(yùn)輸機(jī)的輸送能力即運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力，井下煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)往往采用多部皮帶運(yùn)輸機(jī)搭接起來共同運(yùn)作。因此對(duì)于前后端皮帶運(yùn)輸機(jī)型號(hào)的選擇，需要根據(jù)峰值、掘進(jìn)及回采等運(yùn)輸煤量進(jìn)行型號(hào)的選取，需要注意的是順煤流始端的皮帶運(yùn)輸機(jī)應(yīng)該小于或等于末端的皮帶運(yùn)輸機(jī)。

2 皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

由于井下煤礦開采過程中皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)煤量各不相同，為了實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)根據(jù)實(shí)際負(fù)載量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速節(jié)能的目的，可以采用合適的方法將煤礦開采所有過程中不同的負(fù)載量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電氣量變化，進(jìn)而就可以通過對(duì)電氣量的控制來調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)輸機(jī)的速度變化。對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，必須遵循國家的相關(guān)規(guī)定及政策，選擇安全性高、節(jié)能高效、合理美觀的設(shè)備。

PLC是節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，故本文運(yùn)用自編的PLC 調(diào)控器，對(duì)運(yùn)行過程中皮帶秤（AD）的不同信號(hào)值進(jìn)行收集；接著運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴ǖ贸銎н\(yùn)輸機(jī)的運(yùn)煤量，同時(shí)找到一種皮帶上不同承載量的判斷方法，并利用這種方法結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行運(yùn)行速度的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約[2]。驅(qū)動(dòng)方式主要有變頻驅(qū)動(dòng)方式、永磁同步變頻直驅(qū)方式、調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動(dòng)方式、CST 可控起/停驅(qū)動(dòng)方式4種[3]。本文對(duì)這4種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了對(duì)比分析，如表1所示。

表1 4種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

通過對(duì)表1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)第一種和第四種驅(qū)動(dòng)方式的性價(jià)比較高。但是由于第四種驅(qū)動(dòng)方式成本比第一種驅(qū)動(dòng)方式高，故采用第一種即變頻驅(qū)動(dòng)作為主要的驅(qū)動(dòng)方式。皮帶輸送機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊：控制、執(zhí)行、檢測(cè)單元模塊，如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制總體系統(tǒng)圖

3 皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 PLC節(jié)能控制裝置優(yōu)化

皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的核心部分就是PLC控制器，因此對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行節(jié)能調(diào)控就必須對(duì)PLC節(jié)能控制裝置進(jìn)行優(yōu)化。PLC控制器主要包括編程器、CPU（即中央處理器）運(yùn)行計(jì)算及操控中心、輸入接口（I）、輸出接口（O）、存儲(chǔ)器[3]。運(yùn)行步驟如下：首先，設(shè)備運(yùn)行之后，PLC控制器中的傳感器開始收集系統(tǒng)中模擬量、頻率信號(hào)值、開關(guān)量等；其次，收集完的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口傳送到PLC 的存儲(chǔ)器中；然后，PLC中的中央處理器分析處理所得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)得到的結(jié)果，發(fā)出相應(yīng)的操作指令；最后，用戶根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，通過操控界面組態(tài)王對(duì)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)[4]。

為了使PLC 節(jié)能控制裝置能夠很好地通過運(yùn)輸機(jī)承載量的變換對(duì)變頻器電源頻率進(jìn)行控制，基本步驟為：首先，皮帶運(yùn)輸機(jī)開始運(yùn)行以后，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，同時(shí)將檢測(cè)環(huán)節(jié)和變頻器加入其中；其次，分配輸入輸出節(jié)點(diǎn)，建立輸入輸出模塊[5-6]。本文設(shè)計(jì)的節(jié)能控制系統(tǒng)采用了2臺(tái)核子皮帶秤，分別安裝在2個(gè)不同的皮帶運(yùn)輸機(jī)上（工作面順槽皮帶輸送機(jī)與主斜井二部皮帶運(yùn)輸機(jī)）。當(dāng)井下煤礦開采時(shí)，皮帶秤可根據(jù)輸送帶上煤量多少得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)絇LC上，此時(shí)PLC將得到的數(shù)據(jù)和原有數(shù)據(jù)庫已經(jīng)設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)過輸出模擬信號(hào)，傳給變頻器，變頻器根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[7]。同時(shí)為保障數(shù)據(jù)的精度，增加一臺(tái)皮帶秤進(jìn)行數(shù)據(jù)矯正。故無論運(yùn)煤量為多少，運(yùn)輸機(jī)都可進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，避免資源浪費(fèi)。PLC節(jié)能控制系統(tǒng)中最重要的就是主控制程序，主要流程圖如圖2所示。

3.2 變頻調(diào)速裝置優(yōu)化

異步轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

式中：n 為轉(zhuǎn)速；f 為頻率；p 為極對(duì)數(shù)；s 為轉(zhuǎn)差率。

圖2 PLC主控制程序流程圖

根據(jù)式（1）可以看出，可通過調(diào)節(jié)頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)變。需注意的是變頻器必須同時(shí)對(duì)電源頻率及電壓進(jìn)行更改，否則就會(huì)損壞電機(jī)。本文以某煤礦為例，優(yōu)化分析了輸送機(jī)的變頻調(diào)速裝置。由于一臺(tái)皮帶輸送機(jī)內(nèi)就包含了3臺(tái)電機(jī)，如果這3 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行速度不一致，則可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，所以同一臺(tái)皮帶輸送機(jī)中的3 臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行速度、功率必須一致。因此需要使用一臺(tái)主從控制器對(duì)3臺(tái)變頻器進(jìn)行控制，這3臺(tái)變頻器的主從轉(zhuǎn)動(dòng)模式不同，其中一臺(tái)變頻器的主轉(zhuǎn)動(dòng)模式為速度控制，另外2 臺(tái)的從轉(zhuǎn)動(dòng)模式為轉(zhuǎn)矩控制[8]。并且從傳動(dòng)必須和主傳動(dòng)的電機(jī)速度一致，需要注意的一點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行評(píng)判時(shí)必須以主電機(jī)的數(shù)據(jù)為主。為保證3臺(tái)電機(jī)的一致性，必須用PLC主從控制器對(duì)每2臺(tái)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)具有輸送機(jī)沿線設(shè)置有打點(diǎn)信號(hào)聯(lián)絡(luò)和啟動(dòng)預(yù)告、優(yōu)化控制給煤機(jī)與給煤量、自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送帶張力、出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警或自動(dòng)停車等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)基本結(jié)構(gòu)及基本性能進(jìn)行分析，并對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速裝置和PLC 調(diào)控器進(jìn)行優(yōu)化分析。對(duì)4種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明第一種驅(qū)動(dòng)方式（即變頻驅(qū)動(dòng)）的性價(jià)比最高。該優(yōu)化方案在某煤礦主斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)上進(jìn)行了試用，發(fā)現(xiàn)效果很好，每年比以往節(jié)省了大約412萬度電（1度=1 kW·h），節(jié)能效果好。表明該系統(tǒng)優(yōu)化能減少電能的浪費(fèi)，提高運(yùn)輸效率及經(jīng)濟(jì)性，保障工作人員的安全，促進(jìn)煤礦產(chǎn)業(yè)的精細(xì)化發(fā)展，值得推廣。