皮帶運輸機節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化

暴躍新

（山西晉煤集團沁水胡底煤業(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)境污染嚴重、資源浪費現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)等。為了減少這些不好影響的發(fā)生，應對煤礦產(chǎn)業(yè)進行嚴格管控，促進煤礦開采方式的轉變，逐步放棄粗放性開采，轉而實行精細化開采，同時采用發(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)開采用來運輸煤礦的工具是皮帶運輸機。但是因為井下煤礦分布不均勻，則會出現(xiàn)采煤不均衡現(xiàn)象，即無論采煤量大小為多少，皮帶運輸機始終以相同的功率、相同的速度運行，這就會產(chǎn)生電能的浪費，設備的生產(chǎn)效率降低。為了使皮帶運輸機能夠根據(jù)皮帶上實際的承載量對設備的轉速及相應的功率做出適當合理的調節(jié)控制，采用了變頻調速技術、節(jié)能控制技術2種技術。運用此技術可以使皮帶運輸機根據(jù)實際采煤量進行速度和功率的調節(jié)和控制，提高生產(chǎn)效率，減少資源浪費現(xiàn)象，進而提高經(jīng)濟效益。

1 皮帶輸送機結構及基本性能

1.1 基本結構

近幾年來，由于皮帶運輸機適應性強，可以滿足大運量、高強度采煤工作的要求；在坡度陡峭的道路上仍然可進行運輸?shù)葍?yōu)勢，使其成為井下采煤行業(yè)的主要運輸設備。皮帶運輸機的構成包括：通過滾筒的轉動產(chǎn)生摩擦，將牽引力傳送給輸送帶，帶動輸送帶轉動，進而貨物運輸作用的驅動裝置；防止皮帶發(fā)生滑動，拉近皮帶作用的張緊裝置；進行煤量運輸?shù)妮斔蛶?；包括改向滾筒及托輥并調節(jié)輸送帶方向的改向裝置等。

1.2 基本性能

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

2 皮帶運輸機節(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輸機的運煤量各不相同，為了實現(xiàn)皮帶輸送機根據(jù)實際負載量進行自動調速節(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載量轉換成相應的電氣量變化，進而就可以通過對電氣量的控制來調節(jié)皮帶運輸機的速度變化。對皮帶運輸機節(jié)能控制系統(tǒng)進行優(yōu)化時，必須遵循國家的相關規(guī)定及政策，選擇安全性高、節(jié)能高效、合理美觀的設備。

PLC是節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，故本文運用自編的PLC 調控器，對運行過程中皮帶秤（AD）的不同信號值進行收集；接著運用適當?shù)乃惴ǖ贸銎н\輸機的運煤量，同時找到一種皮帶上不同承載量的判斷方法，并利用這種方法結合實際情況進行運行速度的調整，進而實現(xiàn)資源節(jié)約[2]。驅動方式主要有變頻驅動方式、永磁同步變頻直驅方式、調速型液力偶合器驅動方式、CST 可控起/停驅動方式4種[3]。本文對這4種驅動方式進行了對比分析，如表1所示。

表1 4種驅動方式的優(yōu)缺點對比

通過對表1進行分析，發(fā)現(xiàn)第一種和第四種驅動方式的性價比較高。但是由于第四種驅動方式成本比第一種驅動方式高，故采用第一種即變頻驅動作為主要的驅動方式。皮帶輸送機的節(jié)能控制系統(tǒng)主要包括3個模塊：控制、執(zhí)行、檢測單元模塊，如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制總體系統(tǒng)圖

3 皮帶運輸機節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 PLC節(jié)能控制裝置優(yōu)化

皮帶運輸機節(jié)能控制系統(tǒng)的核心部分就是PLC控制器，因此對皮帶運輸機進行節(jié)能調控就必須對PLC節(jié)能控制裝置進行優(yōu)化。PLC控制器主要包括編程器、CPU（即中央處理器）運行計算及操控中心、輸入接口（I）、輸出接口（O）、存儲器[3]。運行步驟如下：首先，設備運行之后，PLC控制器中的傳感器開始收集系統(tǒng)中模擬量、頻率信號值、開關量等；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)得到的結果，發(fā)出相應的操作指令；最后，用戶根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，通過操控界面組態(tài)王對皮帶輸送機的運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)測與調節(jié)[4]。

為了使PLC 節(jié)能控制裝置能夠很好地通過運輸機承載量的變換對變頻器電源頻率進行控制，基本步驟為：首先，皮帶運輸機開始運行以后，系統(tǒng)對其進行控制，同時將檢測環(huán)節(jié)和變頻器加入其中；其次，分配輸入輸出節(jié)點，建立輸入輸出模塊[5-6]。本文設計的節(jié)能控制系統(tǒng)采用了2臺核子皮帶秤，分別安裝在2個不同的皮帶運輸機上（工作面順槽皮帶輸送機與主斜井二部皮帶運輸機）。當井下煤礦開采時，皮帶秤可根據(jù)輸送帶上煤量多少得到相應數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)絇LC上，此時PLC將得到的數(shù)據(jù)和原有數(shù)據(jù)庫已經(jīng)設定好的數(shù)據(jù)進行比較，并根據(jù)比較結過輸出模擬信號，傳給變頻器，變頻器根據(jù)相應的信號對皮帶運輸機的運速進行調節(jié)控制[7]。同時為保障數(shù)據(jù)的精度，增加一臺皮帶秤進行數(shù)據(jù)矯正。故無論運煤量為多少，運輸機都可進行相應轉速調節(jié)，避免資源浪費。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 變頻調速裝置優(yōu)化

異步轉動機的轉速公式：

式中：n 為轉速；f 為頻率；p 為極對數(shù)；s 為轉差率。

圖2 PLC主控制程序流程圖

根據(jù)式（1）可以看出，可通過調節(jié)頻率，進而實現(xiàn)轉速的轉變。需注意的是變頻器必須同時對電源頻率及電壓進行更改，否則就會損壞電機。本文以某煤礦為例，優(yōu)化分析了輸送機的變頻調速裝置。由于一臺皮帶輸送機內就包含了3臺電機，如果這3 臺電機運行速度不一致，則可能會導致設備損壞，所以同一臺皮帶輸送機中的3 臺電機的運行速度、功率必須一致。因此需要使用一臺主從控制器對3臺變頻器進行控制，這3臺變頻器的主從轉動模式不同，其中一臺變頻器的主轉動模式為速度控制，另外2 臺的從轉動模式為轉矩控制[8]。并且從傳動必須和主傳動的電機速度一致，需要注意的一點是對轉矩進行評判時必須以主電機的數(shù)據(jù)為主。為保證3臺電機的一致性，必須用PLC主從控制器對每2臺電機進行相應的調節(jié)控制。該系統(tǒng)具有輸送機沿線設置有打點信號聯(lián)絡和啟動預告、優(yōu)化控制給煤機與給煤量、自動調節(jié)輸送帶張力、出現(xiàn)故障及時報警或自動停車等優(yōu)點。

4 結束語

本文通過對皮帶運輸機基本結構及基本性能進行分析，并對皮帶運輸機節(jié)能控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，重點對變頻調速裝置和PLC 調控器進行優(yōu)化分析。對4種驅動方式的優(yōu)、缺點進行了對比分析，結果表明第一種驅動方式（即變頻驅動）的性價比最高。該優(yōu)化方案在某煤礦主斜井皮帶運輸機上進行了試用，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，提高運輸效率及經(jīng)濟性，保障工作人員的安全，促進煤礦產(chǎn)業(yè)的精細化發(fā)展，值得推廣。