王建龍

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048108）

引言

帶式輸送機為煤礦生產(chǎn)的主要運輸設(shè)備，隨著采煤技術(shù)及綜采設(shè)備自動化水平的提升，帶式輸送機也朝著長距離、大運量的方向發(fā)展。為滿足實際生產(chǎn)的需求，對單電機驅(qū)動下的帶式輸送機的電機功率的要求越大，且單電機驅(qū)動方式容易導(dǎo)致設(shè)備應(yīng)力集中而影響其使用壽命和可靠性[1]。因此，目前工作面主要以多電機帶式輸送機為主。本文著重對多電機驅(qū)動帶式輸送機的節(jié)能控制策略及其效果進行分析。

1 多電機帶式輸送機功率平衡控制的策略

對于帶式輸送機的多電機驅(qū)動方式而言，要求其驅(qū)動裝置可按照理想的驅(qū)動曲線啟動，并保證在重載以及載荷突變等工況下可平穩(wěn)啟動，不會對帶式輸送機造成沖擊，且可在短時間內(nèi)實現(xiàn)停車而不停電機的控制效果。此外，對于多電機驅(qū)動方式而言，其最關(guān)鍵問題在于實現(xiàn)各個電機的功率平衡問題，并對帶式輸送機啟動時間的合理控制。因此，本文將在基于實現(xiàn)多電機驅(qū)動帶式輸送機功率平衡問題的基礎(chǔ)上達到其節(jié)能的效果。本機主要實現(xiàn)多電機驅(qū)動帶式輸送機的功率平衡，避免其由于電機功率不平衡而導(dǎo)致電機出現(xiàn)過載或者欠載的事故。

多電機驅(qū)動帶式輸送機各電機功率的分配應(yīng)滿足式（1）的要求：

式中：Pi為每個電機應(yīng)分配到的功率值；Pe，i為電機的額定功率；P 為帶式輸送機的實時負載所需的功率；n 為帶式輸送機驅(qū)動電機的臺數(shù)。

由式（1）可知，所謂功率平衡指的是在多電機驅(qū)動的方式下，要求各個電機的實時輸出功率的比值與各個電機的額定輸出功率相匹配[2]。結(jié)合多電機驅(qū)動下功率平衡的控制要求，以雙電機驅(qū)動的帶式輸送機為例，設(shè)計如圖1 所示的控制結(jié)構(gòu)圖。

圖1 雙電機驅(qū)動帶式輸送機功率平衡控制結(jié)構(gòu)框圖

如圖1 所示，PLC 為實現(xiàn)多電機驅(qū)動帶式輸送機功率平衡的關(guān)鍵，其根據(jù)現(xiàn)場傳感器所采集到的實時數(shù)據(jù)換算出帶式輸送機的實時運量及運算，進而得出帶式輸送機多電機所輸出的總功率。在此基礎(chǔ)上，PLC 控制器根據(jù)各個電機額定功率的比例對其實時輸出的電機功率進行分配，并通過變頻器對其電機轉(zhuǎn)速進行控制，從而實現(xiàn)基于功率平衡下帶式輸送機的多電機驅(qū)動功能[3]。

2 多電機驅(qū)動帶式輸送機節(jié)能功能的實現(xiàn)

2.1 變頻器的選型

如“1”研究掌握了多電機驅(qū)動帶式輸送量功率平衡功能實現(xiàn)的控制策略，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對多電機驅(qū)動帶式輸送機的節(jié)能控制。本文所研究帶式輸送機的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 多電機驅(qū)動帶式輸送機關(guān)鍵參數(shù)

本文所研究帶式輸送機共有三個電機對其進行驅(qū)動，對應(yīng)電機的額定功率為1 000 kW。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中采用變頻調(diào)速技術(shù)解決設(shè)備耗能嚴重的問題。因此，針對多電機驅(qū)動帶式輸送機同樣基于變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能控制功能。因此，多電機帶式輸送機的節(jié)能效果與其所選型變頻器的性能相關(guān)。

根據(jù)表1 中多電機驅(qū)動帶式輸送機的關(guān)鍵參數(shù)且其各個電機的輸出額定壓值為2.3 kV。因此，為其配置變頻器的輸出電壓值為2.3 kV。結(jié)合變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求，最終選擇變頻器的型號為6SE8014 變頻器。

2.2 PLC 控制器的選型

同樣，PLC 控制器為多電機帶式輸送機實現(xiàn)節(jié)能變頻控制的核心，其不僅需要對設(shè)備現(xiàn)場工作參數(shù)進行監(jiān)測，主要包括有各電機的溫度、帶速、運量等參數(shù)，從而可實時換算出設(shè)備所需的功率，還需將所采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸至上位機并通過液晶顯示屏呈現(xiàn)于用戶，便于用戶實時查看并掌握設(shè)備的運行狀態(tài)[4]。

因此，綜合考慮系統(tǒng)控制的可靠性和穩(wěn)定性，針對多電機驅(qū)動帶式輸送機的節(jié)能控制所選型PLC控制器的型號為S7-300 系列。根據(jù)節(jié)能控制系統(tǒng)的需求統(tǒng)計，為系統(tǒng)配置的開關(guān)量輸入點為17 個，對應(yīng)模塊為SM321；模擬量輸入點為6 個，對應(yīng)模塊為SM331；開關(guān)量輸出點為5 個，對應(yīng)輸出模塊為SM323。而且，PLC 控制器為上位機與下位機通信的橋梁，其通信功能主要基于PROFIBUS 通信網(wǎng)絡(luò)鎖實現(xiàn)，對應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊為CPU315。

2.3 保護功能的實現(xiàn)

為進一步提升多電機驅(qū)動帶式輸送機運行的可靠性和穩(wěn)定性，還需為其提供一套可靠的保護系統(tǒng)，其主要保護思路為根據(jù)各類傳感器對設(shè)備的運行參數(shù)進行監(jiān)測[5]。當(dāng)監(jiān)測到的某一參數(shù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會發(fā)出報警并及時停機。根據(jù)帶式輸送機常見的故障類型，本系統(tǒng)主要對輸送帶的跑偏、輸送帶上的堆煤現(xiàn)象以及工作面的煙霧超標(biāo)進行監(jiān)測，其對應(yīng)傳感器與PLC 控制器的數(shù)字量輸入模塊SM321 的連接示意圖如圖2 所示。各類傳感器的選型結(jié)果如表2 所示。

3 節(jié)能效果驗證

圖2 PLC 控制器與保護傳感器連接示意圖

表2 多電機驅(qū)動帶式輸送機保護系統(tǒng)傳感器選型結(jié)果

本文所研究的帶式輸送機輸送帶的長度為1.5 km，在滿載狀態(tài)下的運量為4 000 t/h。工作面每年需運輸煤炭總量為1 300 萬t，根據(jù)實際運輸可粗略估算。設(shè)備滿載運行時長約占總運行時長的60%，對應(yīng)電機功率分別為551 kW。非滿載運行時長約占總運行時長的40%，對應(yīng)電機功率為374 kW。

帶式輸送機滿載運行時長約為1 300 萬t×60%÷4 000 t/h=1 950 h，非滿載運行工況運量按照2 000 t/h 計算，則非滿載運行時長約為：1 300 萬t×40%÷2 000 t/h=2 500 h。經(jīng)計算可得，未采用變頻調(diào)速之前，每年的耗電量為551 kW×1 950 h+374 kW×2 600 h=2 046 850 kWh。

當(dāng)帶式輸送機采用變頻調(diào)速控制后，當(dāng)運量為2 000 t/h 時，其對應(yīng)帶速應(yīng)為1.5 m/s，此時電機功率為246 kW。則，采用變頻調(diào)速后，每年的耗電量為551 kW×1 950 h+264 kW×2 600 h=1 760 850 kWh。則，采用變頻調(diào)速后每個電機每年可節(jié)約電量為2 046 850 kWh-1 760 850 kWh=286 000 kWh；三電機帶式輸送機可節(jié)約電量為286 000 kWh×3=858 000 kWh。按照電價為0.5 元/kWh 計算，則，每年可節(jié)約電費42.9 萬元。

4 結(jié)論

1）為多電機驅(qū)動帶式輸送機設(shè)計各電機額定功率的比例并對各電機的實時輸出功率進行分配，從而實現(xiàn)功率平衡；

2）用PLC 控制器和變頻器實現(xiàn)對多電機驅(qū)動帶式輸送機的變頻節(jié)能控制，且具體變頻型號為6SE8014，PLC 控制器為S7-300；

3）多電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在帶式輸送機上的應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，每年可節(jié)約電費約42.9 萬元。