煤礦帶式輸送機(jī)電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用及節(jié)能計(jì)算分析

翟栓斌

（國能蒙西煤化工股份有限公司機(jī)電自動(dòng)化科，內(nèi)蒙古 烏海）

帶式輸送機(jī)是一種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性、長距離輸送的高運(yùn)量輸送設(shè)備，具有集中控制與自動(dòng)控制特性，是煤炭生產(chǎn)不可或缺的重要運(yùn)輸工具。當(dāng)前階段，我國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量逐步提升，在全國總用電量中，年耗電量占比高達(dá)60%，然而電力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量利用率卻相對較低，傳統(tǒng)恒速運(yùn)行方式會(huì)導(dǎo)致電能資源浪費(fèi)、增大生產(chǎn)成本，基于此，煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)需要采用電氣節(jié)能技術(shù)實(shí)施改造，以便降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

1 煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能模糊控制設(shè)計(jì)

1.1 模糊控制原理

模糊控制是在人機(jī)控制理論的基礎(chǔ)上抽象得到的現(xiàn)代控制理論，可實(shí)現(xiàn)專家知識(shí)控制策略向自動(dòng)控制策略的轉(zhuǎn)化，其輸入變量是被控對象的輸出量偏差以及偏差變化率，而輸出變量則是被控量，能夠反映出所有輸入與輸出語言變量及控制規(guī)則間的模糊定量關(guān)系，同時(shí)也能揭示算法結(jié)構(gòu)[1]。應(yīng)用時(shí)需要利用語言控制規(guī)則對收集的控制信息進(jìn)行模糊推理與決策處理，得到控制量模糊集后，再通過模糊判決得到具體的輸出控制量，從而實(shí)現(xiàn)控制目的。相較于普通計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)而言，模糊控制系統(tǒng)安裝了模糊控制器，其結(jié)構(gòu)、規(guī)則、算法及決策方法決定著系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 模糊控制器結(jié)構(gòu)

1.2 電氣節(jié)能模糊控制器設(shè)計(jì)

此控制器共設(shè)定三個(gè)輸入量，即輸送帶運(yùn)行速度偏差、速度偏差變化率、運(yùn)量偏差，輸出量設(shè)為電機(jī)頻率。模糊處理后可分別得到三個(gè)輸入量與一個(gè)輸出量的量化論域，其中運(yùn)量偏差模糊集是{負(fù)大，零，正大}，另外幾個(gè)變量的模糊集是{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}。結(jié)合變量基本論域及模糊集論域，可確定比例因子，之后構(gòu)建模糊變量賦值，建立帶式輸送機(jī)的模糊控制規(guī)則，最后，應(yīng)用加權(quán)平均得到模糊控制表，并存儲(chǔ)到可編制控制器中，用于查詢相應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)取輸出控制量。模糊控制可編程控制程序見圖2。

2 煤礦帶式輸送機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 帶式輸送機(jī)電氣節(jié)能控制方案

為降低煤礦帶式輸送機(jī)的能耗，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)電氣節(jié)能控制方案（見圖3）。電氣節(jié)能的核心是節(jié)能調(diào)節(jié)裝置，利用料位計(jì)測出煤倉煤量后，料位計(jì)及皮帶秤會(huì)將測量信號(hào)傳送給節(jié)能左調(diào)節(jié)裝置，而后測出輸送機(jī)運(yùn)量，若運(yùn)量比輸送機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)量低，則會(huì)調(diào)控給煤機(jī)行程開關(guān)，以增大給煤量，進(jìn)而提高輸送機(jī)的輸送效率，之后再利用調(diào)速裝置對驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。

圖3 電氣節(jié)能框圖

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦作業(yè)環(huán)境相對復(fù)雜，信號(hào)干擾因素較多，因此需要遵循可靠性原則設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)核心控制器可采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300 系統(tǒng)可編程控制器，控制器與現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送以PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)為支撐，此結(jié)構(gòu)的DP 模塊可對系統(tǒng)及現(xiàn)場分散式I/O 通信進(jìn)行控制，并以工控機(jī)及觸摸顯示器作為上位機(jī)，以便24 h 不間斷監(jiān)測控制器運(yùn)行情況，隨時(shí)查看帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)故障問題。電氣節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)采用雙滾筒驅(qū)動(dòng)方式（見圖4）。

圖4 雙驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1.1 可編程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)應(yīng)用的是S7-300 型PLC，包含多種功能模塊，即電源模塊、CPU 模塊、數(shù)字量輸送模塊、通訊模塊、模擬量傳送模塊、接口模塊。系統(tǒng)的I/O 模塊與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連接，CPU 的DP 接口及PROFIBUS總線負(fù)責(zé)傳送變頻器數(shù)據(jù)，現(xiàn)場參數(shù)可利用CUP 通信及多點(diǎn)接口通訊協(xié)議實(shí)時(shí)獲取，通訊處理器模塊及工業(yè)以太網(wǎng)可為上位機(jī)及CPU 之間建立關(guān)聯(lián)提供支持，進(jìn)而通過人機(jī)接口動(dòng)態(tài)監(jiān)測所有被控量[2]。串口通信、數(shù)字量傳送模塊均應(yīng)用了光電隔離技術(shù)，以屏蔽信號(hào)傳送干擾。還安裝了一體式超聲波料位計(jì)、礦用隔爆型核子秤、研祥系列工控機(jī)以及22 寸液晶顯示器。

2.2.1.2 帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置

輸送機(jī)保護(hù)裝置由九部分結(jié)構(gòu)組成，一是智能拉線開關(guān)，按照100 m 間隔布設(shè)于輸送機(jī)沿線。二是智能跑偏開關(guān)，安裝于皮帶兩側(cè)、輸送機(jī)頭尾兩端、轉(zhuǎn)變或給料等重要節(jié)點(diǎn)。三是速度傳感器，用于檢測相應(yīng)時(shí)段內(nèi)磁頭掠過次數(shù)。四是溫度傳感器，主要安裝于被測設(shè)備上或測試環(huán)境中，利用熱敏元件傳送控制信號(hào)。五是堆煤傳感器，安裝于相鄰皮帶搭接機(jī)頭或溜煤眼區(qū)域，用于保護(hù)皮帶并防機(jī)頭堆積[3]。六是縱向撕裂傳感器，安裝在煤流方向距給料點(diǎn)15 m 處的上皮帶位置，用于檢測輸送機(jī)膠帶縱向撕裂故障。七是超溫灑水裝置。八是聲光報(bào)警裝置。九是煙霧傳感裝置，用于自動(dòng)灑水降溫、故障報(bào)警或檢測煙霧。除聲光報(bào)警裝置供電電源為交流127 V 外，其他裝置的供電電源均為直流24 V。

2.2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用的是STEP7 編程軟件，并需設(shè)置MPI 通信卡，加裝PC/MPI 通信適配器，并需做好PC 與MPI 的連接，或是將之連接到PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)上，以便于及時(shí)傳送或獲取用戶程序及相關(guān)數(shù)據(jù)。變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)、可控制動(dòng)、節(jié)能調(diào)速、功率平衡、緊急停車五個(gè)控制功能，在可編程控制器支持下完成帶速與電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測、測定輸送機(jī)運(yùn)量及電流信號(hào)、根據(jù)預(yù)設(shè)程序展開數(shù)字運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，并通過頻率輸出完成控制工作[4]。

3 帶式輸送機(jī)節(jié)能計(jì)算分析

3.1 電氣節(jié)能理論數(shù)據(jù)分析計(jì)算

煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能計(jì)算時(shí)，首先要計(jì)算出輸送機(jī)參外動(dòng)滾筒圓周力，計(jì)算公式為：

其中，C、w、β、L、q'、q''、q0均是煤礦帶式輸送機(jī)的已知參數(shù)，其中C、w、β 取值分別是1.07、0.025、17，L 為1 083，單位為m，q'、q''、q0數(shù)值依次是19.4、6.7、25.6，單位是kg/m。之后可分別計(jì)算出帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的圓周力[5]、電動(dòng)機(jī)功率。在年產(chǎn)量恒定的情況下，可計(jì)算出煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)量約為357 t/h，低于設(shè)計(jì)值，說明輸送機(jī)仍具備較高的效率提升空間。為此，可按照3%的增幅調(diào)整運(yùn)量，最高調(diào)控值設(shè)定為21%，并分別計(jì)算出各調(diào)整系數(shù)下輸送帶速度、功率及轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并可得到電動(dòng)機(jī)的功率值（詳見表1）。額定運(yùn)量條件下，每次增加3%運(yùn)量，輸送機(jī)速度、功率、轉(zhuǎn)速同步增長，說明輸送機(jī)運(yùn)行速度、輸送帶轉(zhuǎn)速以及輸送機(jī)運(yùn)行功率均與運(yùn)量之間呈正比關(guān)系。

表1 不同調(diào)整系數(shù)下輸送帶速度、功率及轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.2 電氣節(jié)能效果及機(jī)械磨損度分析

在年度產(chǎn)量為1.5 Mt/a 條件下，計(jì)算出改造前煤礦帶式輸送機(jī)需要耗電352.80 萬kwh，而應(yīng)用電氣節(jié)能控制系統(tǒng)后，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)量調(diào)控帶速，計(jì)算得出輸送機(jī)運(yùn)量為356.5 t/h，此時(shí)輸送機(jī)運(yùn)行速度為1.97 m/s，而電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率為459.19 kw。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可計(jì)算出電氣節(jié)能改造后，煤礦帶式輸送機(jī)電量損耗數(shù)值是192.86 萬kwh，將改造前后耗電量相減發(fā)現(xiàn)，改造后年用電量節(jié)約了155.94 萬kwh，節(jié)能效率為44.2%。而機(jī)械損耗方面，假定皮帶運(yùn)行12 h，運(yùn)行速度為2.5 m/s，此時(shí)輸送機(jī)各結(jié)構(gòu)件之間的磨損度為1，其他帶速條件下，機(jī)械磨損度數(shù)據(jù)詳見表2。通過分析表2 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，帶速越低，托輥對皮帶的磨損度越小，說明運(yùn)量下降時(shí)，輸送機(jī)的機(jī)械磨損度也會(huì)同步降低。

表2 機(jī)械損耗數(shù)據(jù)

結(jié)束語

帶式輸送機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用了模糊控制理論，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠結(jié)合運(yùn)量對輸送機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過節(jié)能計(jì)算得出電氣節(jié)能改造后電能損耗較改造前有大幅下降，驗(yàn)證了此種電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的實(shí)際效用，說明其值得在煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中推廣與應(yīng)用。