馮俊賓

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備租賃分公司，山西 太原 030000)

0 引 言

我國(guó)地產(chǎn)資源豐富，但賦存條件較為復(fù)雜，隨著我國(guó)開采年限的不斷增加，煤層開采的對(duì)象由覆存較為簡(jiǎn)單的煤層，逐步向著覆存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)化，煤礦開采難度不斷增加。帶式輸送機(jī)作為礦山重要的機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)在的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力不斷加強(qiáng)，運(yùn)輸距離不斷增加，承載能力不斷提升，使得其工作性能不斷被優(yōu)化。但在實(shí)際工作中，由于不同時(shí)間段的運(yùn)輸煤量的不同，使得帶時(shí)輸送機(jī)在運(yùn)煤量較大時(shí)運(yùn)輸效率較高，而在運(yùn)輸煤量較小時(shí)，帶式輸送機(jī)的工作效率就有所降低，但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于其速度是恒定的，所以其效率一直不會(huì)發(fā)生改變，這樣就造成在運(yùn)量較小，或空載狀況下出現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率低下的問(wèn)題，因此對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化十分重要[1-2]。此前眾多的學(xué)者對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效率有過(guò)一定的研究[3-4]。筆者對(duì)變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)不同運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，有效提升了帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率，為礦井帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化提供一定的參考。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)在進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中，主要影響其運(yùn)行功率的因素為運(yùn)載量及帶式輸送機(jī)的帶速，當(dāng)運(yùn)載量為一個(gè)定值時(shí)，此時(shí)隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的增加，其工作效率逐步增大。同時(shí)隨著運(yùn)行速度的增大，帶式輸送機(jī)的功率消耗也就越大，所以降低帶式輸送機(jī)的速度能夠在一定程度上降低其功率消耗。在運(yùn)行狀態(tài)下，降低帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度，此時(shí)物料的線密度將會(huì)增大，此時(shí)的運(yùn)輸張力增大，所以為了保障帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)足夠的帶寬及帶強(qiáng)以此來(lái)實(shí)現(xiàn)大運(yùn)量的目的。在運(yùn)行量較小時(shí)，此時(shí)的帶寬及帶強(qiáng)均會(huì)出現(xiàn)一定的浪費(fèi)，此時(shí)降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度能夠有效的實(shí)現(xiàn)變速節(jié)能的目的。帶式輸送機(jī)帶速及運(yùn)量間的函數(shù)關(guān)系如下式所示：

式中：Q為帶式輸送機(jī)的運(yùn)量，kg；v為帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，m/s；qm為最大物料線密度，kg/m。

從公式中可以看出，當(dāng)最大線密度不發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)量越大帶式輸送機(jī)的速度也就越多，當(dāng)運(yùn)載量為0時(shí)，此時(shí)的帶式輸送機(jī)運(yùn)載速度也為0，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程在實(shí)際運(yùn)量為0時(shí)運(yùn)行速度并不能降低零，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)定一個(gè)值，當(dāng)運(yùn)量低于設(shè)定數(shù)值時(shí)，此時(shí)的運(yùn)行速度應(yīng)當(dāng)以某一最小值進(jìn)行運(yùn)行，以達(dá)到降能的目的。帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度及運(yùn)量的函數(shù)調(diào)整為：

為了實(shí)現(xiàn)隨著運(yùn)煤量變化而改變速度的目的，首先需要設(shè)計(jì)一個(gè)PLC控制器，控制器根據(jù)對(duì)皮帶的信號(hào)進(jìn)行采集、分析得出帶式輸送機(jī)的運(yùn)煤量，根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行決策分析，得出最佳的運(yùn)行速度，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度降低能耗的目的。

首先對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行選定，考慮到帶式輸送機(jī)為大距離、大載荷，所以帶式輸送機(jī)在進(jìn)行啟動(dòng)或者急停時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊及各部件的沖擊載荷，所以對(duì)啟動(dòng)及急停的加速調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)選定軟起/軟停驅(qū)動(dòng)裝置，目前的啟動(dòng)裝置大致可分調(diào)速性液壓耦合器驅(qū)動(dòng)方式、永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)方式、變頻驅(qū)動(dòng)方式及CST可控起停驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)對(duì)不同驅(qū)動(dòng)方式下的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況發(fā)現(xiàn)在建設(shè)初期變頻驅(qū)動(dòng)方式雖然費(fèi)用略高，但在后期的維護(hù)上費(fèi)用會(huì)有大幅度降低，同時(shí)變頻驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)速，所以文中選定的驅(qū)動(dòng)方式為變頻驅(qū)動(dòng)為節(jié)能控制方案。

帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由控制單元模塊、檢測(cè)單元模塊、執(zhí)行模塊組成，主要部件帶速傳感器、PLC控制器、皮帶秤、人機(jī)對(duì)話裝置及變頻調(diào)速裝置等。

檢測(cè)單元模塊：主要用于將皮帶秤采集到的運(yùn)量信息及帶速傳感器采集到的帶速信息轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)輸送至PLC模塊。

控制單元模塊：PLC控制器接收到檢測(cè)信息后通過(guò)智能分析，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)停止、變頻調(diào)速及功率平衡等功能。

PLC控制器是系統(tǒng)控制的核心部件，其主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集分析及輸出，PLC控制器的主要組成部分有輸入輸出(I/O)，中央處理器，傳感器、外接口及存儲(chǔ)器等。由傳感器采集帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，由輸出輸入端口傳輸至CPU，CPU發(fā)出相應(yīng)的指令，并由存儲(chǔ)器進(jìn)行儲(chǔ)存。為保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，文中采用雙CPU冗余系統(tǒng)，通過(guò)容錯(cuò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)雙機(jī)控制，雙CPU冗余系統(tǒng)如圖1所示。

執(zhí)行單元模塊：當(dāng)變頻控制器接收到PLC控制器發(fā)送的信號(hào)后，按照設(shè)定好的控制策略調(diào)整變頻電壓，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的調(diào)速功能。

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)如下操作：①可以設(shè)定皮帶機(jī)的頻率，從而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的恒速運(yùn)行；②能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制，不需要手動(dòng)調(diào)速；③可以實(shí)現(xiàn)上機(jī)位實(shí)時(shí)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸交換數(shù)據(jù)。

輸出和輸入濾波單元主要是對(duì)周圍設(shè)備發(fā)出的干擾射頻進(jìn)行抑制，整流單元是將頻率及電壓的交流電轉(zhuǎn)化為直流電的裝置。直流濾波單元同樣稱為儲(chǔ)能單元，用于整流器及負(fù)載間的無(wú)功緩沖。制動(dòng)單元主要用于耗能制動(dòng)，當(dāng)直流母線的電壓超過(guò)規(guī)定時(shí)，此時(shí)的制動(dòng)晶體管導(dǎo)通，將直線電壓降低至規(guī)定值。逆變單元是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置[5]。

2 變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)

對(duì)變頻調(diào)速原理進(jìn)行分析，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)公式表示：

式中：f為電動(dòng)機(jī)的電源頻率，Hz；n為電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/s；s為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差率；p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

對(duì)變頻調(diào)速控制算法進(jìn)行研究，目前控制算法主要為V/F比恒定控制方式、矢量控制方式及直接轉(zhuǎn)矩控制方式。文中采取直接轉(zhuǎn)矩控制方式為調(diào)速控制算法，直接轉(zhuǎn)矩控制算法是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定字的電壓及電流及空間矢量及定子磁場(chǎng)定向分析法得出異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型[6]。帶式輸送機(jī)的皮帶端頭部布置3臺(tái)電機(jī)，既要保持速度同步也要保障功率平衡，所以端頭的三臺(tái)電機(jī)不是相對(duì)獨(dú)立的而是相互關(guān)聯(lián)的，為了滿足系統(tǒng)的速度同步和轉(zhuǎn)矩平衡所以采用主從控制器分別控制彼此的控制器，1臺(tái)變頻器為控制速度的主傳動(dòng)，而剩余的變頻器為轉(zhuǎn)矩控制模式，速度與主電動(dòng)機(jī)同步，根據(jù)主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)判斷3臺(tái)電機(jī)的速度同步及功率平衡，控制原理圖如圖3所示。

圖3 帶式輸送機(jī)控制原理圖

為了確保3臺(tái)變頻器的電機(jī)運(yùn)行同步，所以在每2臺(tái)變頻器間布置PLC控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器順序啟動(dòng)，PLC控制器及變頻器均安裝在井口的配電室。對(duì)變頻器的故障檢測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)為變頻器的主要功能包括單元過(guò)電壓、短路接地保護(hù)及有欠電壓等，所以當(dāng)發(fā)生故障時(shí)變頻器會(huì)立刻報(bào)警或者發(fā)出停機(jī)信號(hào)，此時(shí)信息傳輸至PLC控制器，通過(guò)分析進(jìn)行決策保障其可靠性[7]。

對(duì)上位機(jī)通訊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)通訊增加系統(tǒng)的智能化，降低復(fù)雜的工作量，在上位機(jī)需要配置下述功能：實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)的功能、顯示電機(jī)的電流、顯示電機(jī)的速度及故障查詢[8]。

對(duì)優(yōu)化前后帶式輸送機(jī)的耗能情況進(jìn)行對(duì)比，在改造前主斜井帶式輸送機(jī)全年用電量計(jì)算如下：

W=3×1 400×330×16×0.6×2=26 611 200(kWh)

經(jīng)過(guò)改造后帶式輸送機(jī)的輸出功率約為710 kW，所以耗電量的計(jì)算表達(dá)如下：

W=3×710×330×16×2=22 492 800(kWh)

節(jié)能效率約為15%，節(jié)能效果良好。所以在通過(guò)變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)對(duì)主斜井帶式輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制后，系統(tǒng)有良好的節(jié)能效果，保障礦井正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，降低了礦井的電量消耗，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策的要求，設(shè)計(jì)效果較好。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了解決帶式輸送機(jī)空載效率低的問(wèn)題，文中對(duì)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)分析運(yùn)量及帶速的數(shù)學(xué)關(guān)系，給出了提升帶式輸送機(jī)效率的方法，通過(guò)對(duì)變頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速的功能，達(dá)到節(jié)能降耗目標(biāo)，實(shí)際節(jié)能效率達(dá)15%；并消除了常規(guī)啟停方式下產(chǎn)生的機(jī)械沖擊和大啟動(dòng)電流等情況，為礦井高效開采提供保證。