王明會

（西山煤電（集團）有限公司屯蘭選煤廠，山西 太原 030200）

引言

皮帶機是一種依靠驅動電機和輸送帶進行物料運輸?shù)脑O備，具有傳輸效率高、經濟性好、結構簡單的優(yōu)點，是煤礦上物料運輸?shù)暮诵难b備。特別是隨著皮帶機系統(tǒng)不斷朝著高帶速、大運量、長距離發(fā)展，皮帶機系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性對煤礦物料運輸效率和經濟性的影響越發(fā)突出。受井下綜采作業(yè)效率的影響，皮帶機上的煤炭分布經常會出現(xiàn)變化，在不同的時間其負載狀態(tài)不同，但皮帶機均以最高速運轉，不僅能耗高而且會加劇皮帶機系統(tǒng)的磨損，降低其使用壽命。

結合帶式皮帶機的物料運輸需求及節(jié)能降本的發(fā)展趨勢，本文提出了一種新的基于變頻調速的皮帶機節(jié)能控制技術，以視頻監(jiān)控和變頻控制為核心，通過建立煤量-帶速最佳匹配模型，將煤量作為調整依據，通過變頻系統(tǒng)對輸送帶的運行帶速進行靈活調整。根據實際應用表明，新的控制系統(tǒng)能夠將皮帶機運行平均帶速降低23.4%，將運行能耗降低11.6%，對提升皮帶機系統(tǒng)的運行經濟性和可靠性具有十分重要的意義。

1 節(jié)能控制系統(tǒng)結構

結合皮帶機節(jié)能運行控制需求，本文所提出的皮帶機節(jié)能運行控制系統(tǒng)采用了模塊化的結構設計方案，包括上位機系統(tǒng)，井下數(shù)據控制中心及變頻控制系統(tǒng)三個部分[1]。上位機用于顯示皮帶機的運行狀態(tài)及調整情況，井下數(shù)據控制中心用于對監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的負載情況、運行帶速進行監(jiān)測，對負載-帶速匹配情況進行分析，確定是否對皮帶機的運行狀態(tài)進行調整。變頻控制系統(tǒng)主要是接收數(shù)據控制中心的調整信號，然后輸出變頻控制信號，對皮帶機運行的帶速進行靈活調整。該皮帶機節(jié)能控制系統(tǒng)整體結構如圖1 所示。

圖1 皮帶機節(jié)能控制系統(tǒng)結構示意圖

井下數(shù)據控制中心的核心為PLC 控制器，通過CAN 數(shù)據網絡和上位機相連通，利用PROFIBUS 數(shù)據通信結構[2]和變頻控制系統(tǒng)相連接，保證整個皮帶機節(jié)能控制系統(tǒng)數(shù)據通信的可靠性和穩(wěn)定性。

在系統(tǒng)運行的過程中，控制中心接收到視頻傳感器、帶速傳感器等監(jiān)測設備傳輸?shù)谋O(jiān)測信息，快速完成對皮帶機運行狀態(tài)、煤量、帶速等數(shù)據的對比分析，對皮帶機的運行情況進行自動判斷，將調整信號傳輸?shù)阶冾l控制中心，實現(xiàn)對皮帶機系統(tǒng)煤量-帶速的匹配運行調節(jié)，提高皮帶機系統(tǒng)的運行經濟性。

2 控制系統(tǒng)硬件結構設計

在皮帶機控制系統(tǒng)中，PLC 控制器的運行穩(wěn)定性直接決定了系統(tǒng)的調節(jié)精度和可靠性，在進行結構選型時，選擇了西門子的6ES71 型變頻控制裝置，其具有多模塊通信接口，能夠根據不同的控制需求進行拓展，滿足不同情況下的控制需求。不同的功能由對應的處理模塊進行數(shù)據分析處理，數(shù)據處理速度快、穩(wěn)定性高。該系統(tǒng)的硬件控制結構如圖2 所示[3]。

圖2 變頻調速控制系統(tǒng)硬件結構示意圖

由上頁圖2 可知，在該系統(tǒng)中上位機對PLC 控制器發(fā)出調節(jié)控制指令，然后PLC 控制器進行數(shù)據分析后通過控制變頻器來對皮帶機的運行情況進行控制。同時系統(tǒng)將速度傳感器、視頻重量監(jiān)測信息、各項保護傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據進行分析，對皮帶機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，提高皮帶機系統(tǒng)的控制靈活性。

3 基于視頻監(jiān)測的煤量測量系統(tǒng)

該皮帶機節(jié)能控制的核心是根據煤量的情況靈活調整皮帶機的運行帶速，因此對煤流量監(jiān)測的準確性直接決定了該系統(tǒng)的使用可靠性，傳統(tǒng)的依靠電子秤進行稱重的方案[4]，受落料沖擊和皮帶機運行影響大，精確性和時效性不足，難以滿足動態(tài)監(jiān)測需求，因此本文提出了一種基于視頻監(jiān)測的煤量測量系統(tǒng)，其測量模式如圖3 所示[5]。

圖3 基于視頻監(jiān)測的煤量測量系統(tǒng)

在該視頻監(jiān)控系統(tǒng)內，其視頻采集單元主要是利用高清數(shù)字攝像儀從煤礦井下獲取高清的視頻圖像，然后采用模式識別方案對視頻圖像進行分割和處理，獲取單位時間內皮帶機上的數(shù)據信息。為了保證對落料監(jiān)測的準確性，系統(tǒng)根據瞬時煤量、輸送帶的長度及落料點位置，對輸送帶上煤量的分布進行修正，提高數(shù)據分析的可靠性，使監(jiān)測數(shù)據最大化的表示皮帶機上煤炭分布的實際情況。根據實際應用，該視頻監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果和輸送帶上的實際煤量分布偏差約為1.2%，滿足對皮帶機帶速調整的監(jiān)測需求。

4 變頻驅動控制

傳統(tǒng)的皮帶機驅動系統(tǒng)只能以定轉速的形式運行，因此在該系統(tǒng)中采用了永磁同步電機[6]作為皮帶機系統(tǒng)的驅動電機，其能夠直接輸出相應的幅值、頻率，減少了傳統(tǒng)控制模式中的液力耦合器、減速器等，提高了驅動系統(tǒng)的控制靈活性和穩(wěn)定性，皮帶機變頻驅動控制結構如圖4 所示[7]。

由圖4 可知，該控制系統(tǒng)采用了變頻器直接驅動電機的控制模式，有效的降低了驅動系統(tǒng)的復雜程度，減少了故障發(fā)生的概率。

圖4 皮帶機變頻驅動控制結構示意圖

目前該基于變頻調速的皮帶機節(jié)能控制系統(tǒng)已經在多個煤礦投入應用，根據對優(yōu)化前后的情況進行對比，優(yōu)化后皮帶機的平均運行帶速由4.7 m/s 降低到了目前的3.6 m/s，帶速降低了23.4%。在運行過程中的能耗比優(yōu)化前平均降低了11.6%，顯著提升了皮帶機系統(tǒng)的運行經濟性和可靠性。

5 結論

針對皮帶機在運行過程中能耗高、磨損大、壽命低的不足，提出了一種基于變頻調速的皮帶機節(jié)能控制技術，以視頻監(jiān)控和變頻控制為核心，通過建立煤量-帶速最佳匹配模型，實現(xiàn)了對輸送機系統(tǒng)運行帶速的智能調整，根據實際應用表明：

1）皮帶機節(jié)能運行控制系統(tǒng)采用了模塊化的結構設計方案，包括上位機系統(tǒng)，井下數(shù)據控制中心及變頻控制系統(tǒng)三個部分；

2）視頻監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果和輸送帶上的實際煤量分布偏差約為1.2%，滿足對皮帶機帶速調整的監(jiān)測需求；

3）以永磁同步電機作為皮帶機系統(tǒng)的驅動電機，減少了傳統(tǒng)控制模式中的液力偶合器、減速器，提高了驅動系統(tǒng)的控制靈活性和穩(wěn)定性；

4）新的控制系統(tǒng)能夠將皮帶機運行平均帶速降低23.4%，將運行能耗降低11.6%，對提升皮帶機系統(tǒng)的運行經濟性和可靠性具有十分重要的意義。