煤礦帶式輸送機能耗控制系統的設計與應用研究

宮韶華

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備科大機械有限公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭作為我國重要的能源之一，近年來的需求量越來越大，煤炭掘進工作量逐年增加，對傳統煤炭掘進設備的安全性、可靠性、高效低耗等提出了更高的要求[1-2]。帶式輸送機作為煤炭掘進工作的關鍵設備，工作時間長、服役環境極為惡劣，能夠高效穩定運行直接關乎煤炭企業的產能和經濟利益[3]。目前帶式輸送機多采用變頻調速模式已實現節能降耗的效果，既能降低帶式輸送機電能的浪費，還能減小帶式輸送機的空載運轉磨損[4-6]。因此，針對我國傳統帶式輸送機能耗高、效率低的問題，開展帶式輸送機能耗控制系統應用研究具有重要的意義。

1 帶式輸送機研究現狀及發展趨勢

帶式輸送機最先起源于美國，至今已超過一個半世紀，具有很長的發展歷程。隨著科學技術的進步，帶式輸送機的結構和功能越來越完善，技術成熟度越來越高。帶式輸送機作為煤炭掘進工作的重要輸送設備，逐漸向多元化發展，應用范圍越來越廣，具有連續輸送、自動控制、載重量大等優點。就目前情況來看，國外的帶式輸送機的運行速度已經能夠實現8~12 m/s，驅動功率高達10 100 kW，能源效果低，遠遠優于國內的帶式輸送機。同時，國外的帶式輸送機在技術上越來越先進，尤其是先進的控制技術，運行可靠性很好。為了縮小國內帶式輸送機與國外相同產品的差距，有必要開展帶式輸送機能耗控制系統的設計與應用工作。

2 系統總體結構設計

基于某型號帶式輸送機完成了能耗優化控制系統總體結構設計工作，如圖1所示，系統主要包括上位機、PLC控制系統、變頻驅動系統、運行保護系統、監測通信系統組成。系統能夠根據帶輸送機煤流量的大小實時調整帶速，使其運行在功率最低的狀態；保護系統在帶式輸送機運行出現異常可以自動停機，保護帶式輸送機不被破壞；系統能夠實時監測帶式輸送機的運行狀態，如帶式輸送機的運行速度、驅動電機的電壓、電流等，將采集得到的運行狀態參數顯示在上位機供監控人員及時獲取帶式輸送機的運行信息；當帶式輸送機出現故障時，系統及時報警，給出故障可能出現的位置，指導運維人員及時排除故障，保證帶式輸送機的可靠運行。

圖1 能耗控制系統總體結構

3 詳細設計

3.1 硬件設計

3.1.1 控制器PLC

能耗控制系統的核心控制部件選擇PLC，其具有很好的環境適應性和工作可靠性，適合于煤炭井下工作的環境和要求。PLC各個模塊的配置如下：主控制器的型號為S7-1214C DC/DC/DC，由24 V直流電源供電，具有多種通訊接口可用；選擇PM1207電源模塊，其輸入交流電壓為120/230 V，輸出直流電壓為24 V；數字量輸入由SM1221完成，能夠實時接收現場采集的信號并傳輸至CPU；模擬量輸入由SM1231完成，包含中斷與診斷功能，可用于監視斷線故障和電源電壓；通信模塊為CM1243-5，支持16個PROFIBUS DP從站，CM1241（RS422/485）通訊模塊支持點對點串行通信并可擴展。

3.1.2 變頻器

系統變頻器的基本結構采用交-直-交模式，其主回路主要包括整流環節、中間直流環節和逆變環節。能耗控制系統中的變頻器使用二極管整流和PWM逆變器調整電壓和頻率，本能耗控制系統的變頻調速使用U/f恒定控制，該控制方式的突出優點是電源頻率在變化的同時電壓也隨之變化，變化的過程中電源頻率與電源電壓的比值保持恒定不變。

3.1.3 保護系統

服役中的帶式輸送機保護系統配置了通訊接口，具有與主控制器實時通訊的功能，整個能耗控制系統中的傳感器信號均傳輸至保護系統，整理匯總之后集中發出，將采集得到的數據傳輸至PLC主站進行處理。PLC處理之后的信息傳輸至上位機進行實時顯示和存儲，當系統發現運行參數異常時，發出報警指令，保護帶式輸送機的安全。

3.2 軟件設計

3.2.1 主程序

帶式輸送機能耗控制系統主程序控制流程如圖2所示，負責系統各個子程序的調用工作，實現帶式輸送機運行狀態數據的采集和管理目的。主程序執行之后順序進行輸入信號處理、控制方式選擇、帶式輸送機啟動、運輸過程中能耗優化控制策略、帶式輸送機停車等子程序，當運輸過程中能耗優化控制時出現帶式輸送機運行參數異常時，系統將會發出報警提示，以便保護帶式輸送機的安全，指導設備運行維護人員及時排除故障，恢復帶式輸送機的正常運行。

圖2 能耗控制系統主程序流程圖

3.2.2 能耗控制程序

帶式輸送機實際運行時的煤炭流量時刻變化，要是反反復復調整設備運行情況不僅會增加系統的運算量，還不利于輸送機的節能降耗，故而將帶式輸送機運行是的煤炭量波動劃分為多個區間進行控制，如[Q1，Q2]、[Q2，Q3]、[Qn-1，Qn]，設置對應的皮帶轉速，帶式輸送機可以根據煤炭流量自動確定運轉速度，達到降低能耗的目的。為了防止煤流量擾動對控制系統造成誤動作，在煤流量變化時需要對其進行判別，如圖3所示。

圖3 能耗控制系統工作程序

3.2.3 保護系統程序

帶式輸送機能耗控制系統中的保護功能是由PLC和KT101型綜合保護控制器實現，其控制流程如圖4所示。圖4中標注的v1和v2分別代表驅動滾筒和皮帶的轉速。當帶式輸送機正常運行時，保護程序順序運行，一旦出現皮帶打滑情況，馬上開啟溫度檢測，當檢測得到的溫度超過限定數值時，系統發出打滑報警或者保護停機，與此同時，啟動自動噴水裝置進行冷卻降溫；當輸送帶出現高溫超限時，系統進行煙霧檢測，當煙霧檢測數值超限時，系統啟動火災報警或者保護停機，與此同時，啟動灑水裝置。保護系統的存在，減少帶式輸送機的誤操作，提高系統的穩定性和可靠性。

圖4 保護系統工作程序

4 應用效果評價

為了驗證帶式輸送機能耗控制系統的可行性，將其應用于服役中的某型號帶式輸送機控制系統進行試運行，跟蹤記錄運行情況。結果表明，控制系統運行穩定可靠，實現了變頻調速控制的功能。統計結果顯示，能耗控制系統的投入使用，降低了帶式輸送機近12%的故障排查時間，減少了2~3名設備維護維修人員，提高了近10%的設備利用率，節約了帶式輸送機運行電能消耗近8%，預計為煤炭企業新增經濟效益近100萬元/年，取得了很好的應用效果。