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        帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

        2020-09-10 07:22:44任宏偉
        中國化工貿(mào)易·上旬刊 2020年6期
        關(guān)鍵詞:帶式輸送機模糊控制節(jié)能

        摘 要:針對帶式輸送機當前控制系統(tǒng)耗電量大的問題,在分析帶式輸送機結(jié)構(gòu)組成及節(jié)能控制理論的基礎(chǔ)上,基于PLC控制器、模糊控制算法以及變頻技術(shù)設(shè)計了一款節(jié)能控制系統(tǒng),并完成了該系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計,最終在實踐生產(chǎn)中取得了較佳的節(jié)能效果。

        關(guān)鍵詞:帶式輸送機;節(jié)能;PLC;變頻控制;模糊控制

        采煤機、刮板輸送機、帶式輸送機以及液壓支架、液壓泵站等作為綜采工作面的大型機電設(shè)備,其運行穩(wěn)定性、可靠性直接決定綜采工作面煤炭的開采效率,各個設(shè)備的節(jié)能效果將從根本上降低整個煤礦的耗能。帶式輸送機作為工作面的運輸設(shè)備,其主要承擔物料、設(shè)備的運輸任務(wù)。在實際生產(chǎn)中,傳統(tǒng)帶式輸送機采用開環(huán)控制方式,導致其無法根據(jù)輸送帶上的負載及時調(diào)整其帶速,尤其在輸送帶空載時設(shè)備仍以高速運轉(zhuǎn),從而造成大量電能的浪費。因此,急需設(shè)計一款節(jié)能控制系統(tǒng),為降低煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本提供基礎(chǔ)。

        1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)

        帶式輸送機結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

        如圖1所示,帶式輸送機主要由驅(qū)動滾筒、上托輥、下托輥、中間架、張緊裝置、改向滾筒等組成。帶式輸送機通過驅(qū)動裝置提供驅(qū)動滾筒與輸送帶之間的摩擦力,從而實現(xiàn)帶式輸送機的連續(xù)運行。

        目前,應(yīng)用于帶式輸送機輸送帶的主要類型為橡膠帶和塑料帶。帶式輸送機的托輥主要包括有緩沖托輥、調(diào)心托輥、平形托輥以及槽形托輥。其中,緩沖托輥的主要作用是減小物料對輸送帶的沖擊力;調(diào)心托輥的主要是當輸送帶跑偏時對其進行糾偏操作;槽形托輥主要用于運輸散粒物料。

        根據(jù)滾筒的安裝位置分為驅(qū)動滾筒和改向滾筒。張緊裝置的主要作用是根據(jù)實際工況為輸送帶提供一定的張緊力,避免帶式輸送機出現(xiàn)打滑的事故。

        2 帶式輸送機節(jié)能控制的理論基礎(chǔ)

        經(jīng)研究可知,帶式輸送機運量和帶速是影響輸送機功率的主要因素。在實際生產(chǎn)中帶輸送機帶速并不能夠根據(jù)其實時運量進行調(diào)節(jié)已達到最節(jié)能的效果。為此,設(shè)計如式(1)所示的節(jié)能策略。

        式中:Q為帶式輸送機的運量;v為帶式輸送機的運行速度;qm為煤炭的線密度。在實際情況中帶式輸送機不可能頻繁啟停,因此設(shè)定當其運量為0時,帶式輸送機以最小的速度運行。

        綜上所述,基于上述運速與運量相匹配的思想設(shè)計帶式輸送機的節(jié)能控制系統(tǒng),不僅能夠提升帶式輸送機輸送效率,還能夠降低帶式輸送機的能耗。

        3 帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

        基于帶式輸送機運速與運量相匹配的設(shè)計思路,采用變頻技術(shù)實現(xiàn)帶式輸送機運速隨著其運量及工況實時調(diào)節(jié)的目的。為進一步提升節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性,本系統(tǒng)采用冗余設(shè)計技術(shù),即采用工控機實時監(jiān)控和PLC控制相結(jié)合的控制方式,實現(xiàn)帶式輸送機的變頻節(jié)能控制,可滿足實際生產(chǎn)中的緊急停車、故障保護以及智能監(jiān)控等功能。本節(jié)著重對帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。

        3.1 硬件設(shè)計

        3.1.1 PLC控制柜設(shè)計

        該節(jié)能控制系統(tǒng)所采用的核心控制器PLC的廠家型號為AB公司的ConrtrolLogix5000系列PLC。為提升節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性,PLC控制器采用雙CPU冗余系統(tǒng)。其中,一臺CPU主要對所有設(shè)備的啟停進行控制;另一臺CPU的主要功能是對帶式輸送機的運行狀態(tài)進行監(jiān)視,一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)中有事故發(fā)生立即實現(xiàn)功能切換,確保整個節(jié)能控制系統(tǒng)的正常運行。

        3.1.2 輸送帶保護裝置的選型設(shè)計

        輸送帶保護裝置可避免帶輸送機出現(xiàn)故障后對設(shè)備造成更深的損害。該系統(tǒng)所選用的輸送帶保護裝置為天津華寧KTC010保護裝置,該保護裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機的跑偏保護、打滑保護、堆煤保護以及撕裂保護。KTC010保護裝置能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機監(jiān)控系統(tǒng)的實時通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享。

        3.1.3 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

        關(guān)于變頻驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計核心為對變頻器的選型。變頻器選型時需綜合考慮帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)中三相異步電動機的額定功率和要求帶式輸送機遇到載荷突變的工況時能夠?qū)崿F(xiàn)低頻轉(zhuǎn)矩提升的能力。

        在調(diào)研市場并在結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,選擇西門子公司的5HK62-5B為該節(jié)能控制系統(tǒng)的變頻器。

        3.2 軟件設(shè)計

        帶輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是根據(jù)節(jié)能控制系統(tǒng)的控制思路基于AB公司的ConrtrolLogix5000系列的編程軟件完成該系統(tǒng)的軟件編寫。

        目前,應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中控制算法包括有PID控制算法、模糊控制算法以及自適應(yīng)控制算法等。其中,PID控制算法主要應(yīng)用于線性控制系統(tǒng);模糊控制算法主要應(yīng)用非線性控制算法。因此,本節(jié)能控制系統(tǒng)采用模糊控制算法。帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的模糊控制原理如圖2所示。

        如圖2所示,節(jié)能控制系統(tǒng)對輸送帶的運速進行實時監(jiān)視,并將監(jiān)視所得結(jié)果通過模糊控制器傳入PLC控制器中,根據(jù)PLC控制器中所存儲的模糊控制算法對比當前的帶速是否與實時載荷相匹配。若帶速與運量不匹配,系統(tǒng)立即控制變頻器完成對帶式輸送機電機的頻率的控制,從而實現(xiàn)了對帶速的調(diào)整。

        4 帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

        將所設(shè)計的節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用于某礦工作面帶式輸送機的控制中。該煤礦的主要參數(shù)如下:煤礦年產(chǎn)量M為5Mt;帶式輸送機的正常運行速度為4.5m/s;帶輸送機電機的額定電壓為6kV,額定功率為1400kW,電機的數(shù)量為3臺。該煤礦的生產(chǎn)制度為:每年生產(chǎn)工作日天數(shù)為300d,每天生產(chǎn)時長t為18h。

        4.1 改造前的耗電量

        W1=3臺×1400kW/臺×18h/d×300d=22680000kWh。

        4.2 改造后的耗電量

        根據(jù)該煤礦的年產(chǎn)量計算得出其工作面帶式輸送機的運量為:

        根據(jù)模糊控制算法,當帶式輸送機的運量為926t/h時,其對應(yīng)的最佳帶速為2.13m/s。則,此時對應(yīng)的帶式輸送機的工作功率為1400×2.13/4.5=663kW。則,節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用后的耗電量為:W2=3臺×663kW/臺×18h/d× 300d=10740600kWh。

        經(jīng)計算,每年可節(jié)約電能W=W1-W2=11939400kWh,節(jié)能效率可達52.64%。

        5 結(jié)語

        帶式輸送機作為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備,由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的局限性無法實現(xiàn)帶速與運量相匹配的控制,造成了工作面電能極大的浪費。將模糊控制算法、變頻控制技術(shù)以及PLC控制器等有機結(jié)合設(shè)計出一款節(jié)能控制系統(tǒng),并將該系統(tǒng)應(yīng)用實際生產(chǎn)中達到52.64%的節(jié)能效果。

        參考文獻:

        [1]宋偉剛,戰(zhàn)欣,王元元.大型帶式輸送機驅(qū)動裝置的比較研究[J].工程設(shè)計學報,2004,11(6):301-311.

        作者簡介:

        任宏偉(1983- ),男,山西盂縣人,本科,畢業(yè)于太原理工大學,機電工程師。

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