王臻榮

(陽煤集團(tuán)天譽(yù)礦業(yè)投資有限責(zé)任公司，山西 忻州 034000)

0 引言

近年來，隨著世界能源需求的不斷攀升和自然資源的日益枯竭，對(duì)能源供應(yīng)商、工業(yè)企業(yè)及消費(fèi)者都提出了新的挑戰(zhàn)，在《節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，高效節(jié)能技術(shù)和裝備將是重要一環(huán)，如何以高效和可持續(xù)的方式使用能源成為了當(dāng)務(wù)之急。目前我國(guó)工業(yè)能耗約占總能耗的70%[1-3]，其中電機(jī)能耗約占工業(yè)能耗的60%～70%，加上非工業(yè)電機(jī)能耗，電機(jī)實(shí)際能耗約占工業(yè)總能耗的75%以上[4-6]。根據(jù)國(guó)家中小電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)電機(jī)的抽樣調(diào)查，真正實(shí)現(xiàn)變頻拖動(dòng)的電機(jī)不足40%[7-13]，而變頻拖動(dòng)的設(shè)備真正做到節(jié)能運(yùn)行的不足50%，所以說電機(jī)變頻節(jié)能運(yùn)行發(fā)展空間巨大、需求性強(qiáng)。

因此結(jié)合廣大礦山用戶的實(shí)際需求，利用成熟的工業(yè)控制技術(shù)和現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究人員設(shè)計(jì)了一套礦山皮帶運(yùn)輸能耗管理系統(tǒng)，送審后經(jīng)安標(biāo)辦規(guī)范名稱為KHP290型煤礦用帶式輸送機(jī)載荷帶速控制裝置(以下簡(jiǎn)稱裝置)。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目在開灤集團(tuán)錢家營(yíng)煤礦開展。

1.1 一部皮帶

一部皮帶長(zhǎng)度330 m，采用2臺(tái)355 kW的電機(jī)拖動(dòng)，目前采用機(jī)械軟啟的方式對(duì)皮帶啟動(dòng)，目前安裝有一套華寧KTC101皮帶保護(hù)裝置。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，一部皮帶公司只配置集控用本安控制臺(tái)、隔爆兼本安PLC控制箱及實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制所必須的傳感器，可實(shí)現(xiàn)將礦方現(xiàn)有華寧皮帶保護(hù)裝置接入皮帶集控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)頭部皮帶能和其他皮帶聯(lián)動(dòng)啟停，能在地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵啟停。

1.2 二部、三部皮帶

二部皮帶長(zhǎng)度220 m，由1臺(tái)315 kW的電機(jī)變頻拖動(dòng)，三部皮帶長(zhǎng)度360 m，由2臺(tái)315 kW變頻電機(jī)拖動(dòng)，目前現(xiàn)有皮帶沿線保護(hù)傳感器均不同程度損壞，需要根據(jù)各條皮帶長(zhǎng)度全部更換皮帶沿線撕裂、張力、速度、溫度、煙霧、堆煤、跑偏、急停、超溫灑水、帶精確定位的擴(kuò)音電話。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，公司根據(jù)二部、三部皮帶長(zhǎng)度配置全套皮帶集控保護(hù)裝置和皮帶沿線傳感器，實(shí)現(xiàn)二部、三部皮帶能和其他皮帶聯(lián)動(dòng)啟停，能在地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵啟停；實(shí)現(xiàn)二部、三部皮帶的變頻啟動(dòng)。

1.3 四部、五部皮帶

四部皮帶長(zhǎng)度400 m，由2臺(tái)315 kW變頻電機(jī)拖動(dòng)，五部皮帶長(zhǎng)度200 m，由1臺(tái)315 kW變頻電機(jī)拖動(dòng)，需要根據(jù)各條皮帶長(zhǎng)度全部更換皮帶沿線撕裂、張力、速度、溫度、煙霧、堆煤、跑偏、急停、超溫灑水、帶精確定位的擴(kuò)音電話，另外由于四部皮帶承擔(dān)1-3煤1號(hào)、2號(hào)煤倉來煤，全負(fù)荷運(yùn)行，五部皮帶承擔(dān)1-1煤來煤；針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，公司根據(jù)四部、五部皮帶長(zhǎng)度配置全套皮帶集控保護(hù)裝置和皮帶沿線傳感器，實(shí)現(xiàn)四部、五部皮帶能和其他皮帶聯(lián)動(dòng)啟停，能在地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵啟停；實(shí)現(xiàn)四部、五部皮帶的變頻啟動(dòng)。

2 技術(shù)方案

2.1 地面調(diào)度室及視頻監(jiān)控部分

研華工控機(jī)、視頻柜、礦用隔爆型攝像儀云臺(tái)一體機(jī)、礦用網(wǎng)線及光纜等，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的集中控制，工況顯示，視頻監(jiān)控等功能。

2.2 控制部分

控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200系列PLC，整套設(shè)備含皮帶電控部分、皮帶沿線保護(hù)部分。在此次的技術(shù)方案中，設(shè)計(jì)在每條皮帶的機(jī)頭位置分別配置KXJ660型PLC防爆箱1臺(tái)、TH12-X本安顯示控制臺(tái)1臺(tái)，防爆箱采用快開門結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及維修；控制臺(tái)面板有皮帶機(jī)的急?？刂瓢粹o、送話按鈕及操作控制鍵盤，操作臺(tái)正面為10.2寸監(jiān)控液晶顯示屏，方便現(xiàn)場(chǎng)人員修改參數(shù)、查看皮帶的運(yùn)行狀態(tài)；顯示每臺(tái)電機(jī)的電流、電壓、頻率、運(yùn)行和故障狀態(tài)；控制臺(tái)顯示并儲(chǔ)存皮帶的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)能運(yùn)行里程，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行里程，皮帶實(shí)時(shí)速度，給煤機(jī)開、停等運(yùn)行情況。電控系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)皮帶的運(yùn)行速度，達(dá)到根據(jù)皮帶運(yùn)送煤炭的有無、多少來實(shí)現(xiàn)皮帶節(jié)能運(yùn)行的目的。

對(duì)于皮帶由給煤機(jī)給煤的，可通過帶啟停控制的通訊機(jī)進(jìn)行給煤機(jī)的控制，通訊機(jī)內(nèi)置通訊模塊，采集到給煤機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，程序自動(dòng)檢測(cè)皮帶的運(yùn)行速度，當(dāng)皮帶在全速運(yùn)行時(shí)(速度可以通過上位機(jī)設(shè)定)，由PLC控制給煤機(jī)繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)給煤機(jī)；如采集到給煤機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，程序檢測(cè)皮帶的運(yùn)行速度沒有達(dá)到全速時(shí)，自動(dòng)開始對(duì)皮帶進(jìn)行加速，當(dāng)皮帶在全速運(yùn)行后，再啟動(dòng)給煤機(jī)，避免在皮帶低速運(yùn)行時(shí)，突然啟動(dòng)給煤機(jī)的灑煤現(xiàn)象。

2.3 傳感器部分

皮帶的沿線保護(hù)傳感器，包括跑偏、拉線、煙霧、溫度、灑水、縱撕、速度、堆煤等傳感器。在本設(shè)計(jì)中傳感器部分還配置了公司的專利產(chǎn)品——料流傳感器。通過公司的“料流傳感器”與變頻器配合使用可實(shí)現(xiàn)物料大小與皮帶速度實(shí)時(shí)在線調(diào)速的功能，系統(tǒng)原有皮帶機(jī)綜合保護(hù)的各種功能不變的同時(shí)，還具有了節(jié)能運(yùn)行功能。

3 系統(tǒng)核心技術(shù)

3.1 GL3-24礦用隔爆型料流傳感器

料流傳感器適合在煤礦井下有煤塵瓦斯等爆炸性氣體環(huán)境下，用于測(cè)量流動(dòng)物料的厚度，尤其適合皮帶機(jī)做料流檢測(cè)使用。該傳感器是公司與中科院共同引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)傳感技術(shù)研制而成，最早于2011年12月通過煤安審查取得煤安標(biāo)志(MFB110354)，2013年3月獲得實(shí)用新型專利證書，現(xiàn)該產(chǎn)品的有效期至2022年4月。

料流傳感器的成功研制，采用了當(dāng)前最先進(jìn)的“微波光”探測(cè)原理，打破了以往其它傳統(tǒng)傳感器的局限，例如：堆煤、皮帶秤等接觸式傳感器碰撞容易損壞，安裝復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。也避免了超聲波、雷達(dá)和紅外傳感器等非接觸式傳感器測(cè)量不準(zhǔn)、測(cè)量物料局限性大、信號(hào)漫反射造成的測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。該微波光傳感器具有防潮防水免維修的特性，為非接觸式安裝，通過不同頻率不同波長(zhǎng)微波光探測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)膠帶機(jī)上料流的檢測(cè)和信號(hào)輸出，具有壽命長(zhǎng)、精度高、防碰撞、易安裝調(diào)試、外部環(huán)境干擾小、標(biāo)準(zhǔn)外部接口的優(yōu)點(diǎn)；由于采用了多套不同頻率和不同波長(zhǎng)的微波光技術(shù)，多模塊微波光技術(shù)相互補(bǔ)償，檢測(cè)膠帶機(jī)上料流時(shí)，不管是塊狀、末狀、糊狀、水狀等都可以精確檢測(cè)到厚度，并通過一套微處理器處理后實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模擬量線性輸出，避免了接觸式傳感器的諸多缺點(diǎn)，可以在溜子和皮帶上安裝且不受安裝地點(diǎn)限制，不受皮帶傾角的限制，不受物料粒度、濕度、種類等限制。安裝、調(diào)整非常方便，安裝時(shí)間僅需10 min即可，安裝時(shí)只需簡(jiǎn)單調(diào)整一下傳感器到皮帶上面的距離，無需停產(chǎn)，不需改變皮帶機(jī)的任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，移動(dòng)非常方便，可安裝在移動(dòng)皮帶上使用，適用于所有膠帶機(jī)運(yùn)輸領(lǐng)域。

“微波光”原理的料流傳感器是經(jīng)過幾代改進(jìn)的產(chǎn)品，已經(jīng)成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)近2年的時(shí)間，沒有損壞、維修記錄，在使用過程中，完全能做到免維護(hù)，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的各種工況。如：干煤、濕煤、水煤、塊煤、大塊矸石、亮煤等。

3.2 膠帶機(jī)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)

煤礦井下膠帶機(jī)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，包括隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器和礦用料流傳感器。通過礦用通訊電纜將變頻器和料流傳感器連接。裝置的工作原理如下。

本裝置中所控制的隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器與現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)相連接，主要是通過變頻器來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的頻率以實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的速度調(diào)節(jié)。料流傳感器安裝在皮帶落煤點(diǎn)后，實(shí)時(shí)檢測(cè)膠帶機(jī)上煤的多少，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的信號(hào)。通過屏蔽電纜將信號(hào)傳輸?shù)降V用隔爆兼本安PLC千兆環(huán)網(wǎng)控制箱中，通過程序進(jìn)行變換，將變換后的結(jié)果傳輸給變頻器，最終實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)隨料流多少自動(dòng)調(diào)節(jié)速度的目的。

料流傳感器垂直安裝在膠帶機(jī)上方，工作原理為微波光檢測(cè)料流厚度，測(cè)量距離0～3 m，測(cè)量距離可非常方便的進(jìn)行設(shè)定，不需要專用儀表及工具，通過傳感器自身產(chǎn)生的微波光照射在膠帶機(jī)上，通過煤反射微波光至傳感器，傳感器計(jì)算發(fā)射和反射的時(shí)間差來精確計(jì)算出所測(cè)煤的高度，同時(shí)將距離換算成相對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流信號(hào)輸出。

料流傳感器和煤礦井下膠帶機(jī)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置在我公司分別申請(qǐng)了實(shí)用新型發(fā)明專利。通過此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)：可根據(jù)膠帶機(jī)料流的多少，輸出電流信號(hào)，并且使用PLC來控制變頻器，增加了靈活和適用性，使用起來方便靈活，真正實(shí)現(xiàn)了煤多速度快，煤少速度慢的功能，同時(shí)達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，并且減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作量，提高了工作效率，通過這種裝置能真正實(shí)現(xiàn)煤礦井下膠帶機(jī)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4 取得成果

“KHP 290型煤礦用帶式輸送機(jī)載荷帶速控制裝置”于2013年取得煤安標(biāo)志(MAB 130945)。截止目前，該裝置是國(guó)內(nèi)首次研制，也是唯一取得煤礦用帶式輸送機(jī)載荷帶速控制裝置安標(biāo)證的。

2013年12月礦山皮帶能耗管理系統(tǒng)技術(shù)被列入發(fā)改委國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄第6批第2項(xiàng)——皮帶機(jī)變頻能效系統(tǒng)技術(shù)。

5 結(jié)語

2012年至今該項(xiàng)目先后在開灤蔚州煤業(yè)單候煤礦和興源煤礦、開灤集團(tuán)錢家營(yíng)煤礦、晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平煤礦、陽煤集團(tuán)開元煤礦、陜西銅川煤業(yè)集團(tuán)下石節(jié)煤礦、冀中能源集團(tuán)邢臺(tái)邢東煤礦、峰峰煤業(yè)羊渠河煤礦、霍州辛置煤礦、同煤集團(tuán)云岡煤礦和四臺(tái)煤礦以及襄垣七一煤業(yè)和陵川煤運(yùn)關(guān)嶺山煤礦等投入使用，并取得了良好的節(jié)能和降耗效果。