朱履貝

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

帶式輸送機為工作面的主要運輸設備，由于其運輸距離長、運量大以及運輸能力大等優(yōu)勢被廣泛應用。隨著帶式輸送機運量的不斷增大，運輸距離的不斷增長，傳統(tǒng)單滾筒驅(qū)動能力已經(jīng)不能夠滿足實際生產(chǎn)的需求，從而推動了輸送帶多電機驅(qū)動的發(fā)展。對于多電機驅(qū)動帶式輸送機而言，由于電機功率不平衡經(jīng)常會導致電機過載損壞的故障發(fā)生。此外，帶式輸送機“大馬拉小車”的問題也比較普遍，導致了電能的浪費[1]。因此，急需在解決多電機帶式輸送機的功率平衡和節(jié)能問題上進行研究。

1 多電機驅(qū)動輸送機功率平衡控制策略研究

多電機驅(qū)動帶式輸送機電機的布置方式可分為頭部驅(qū)動、尾部驅(qū)動以及頭尾驅(qū)動等。其中，頭部驅(qū)動和尾部驅(qū)動一般為雙滾筒驅(qū)動；頭尾驅(qū)動一般為三滾筒驅(qū)動。在實際應用中，一般優(yōu)先考慮頭尾部驅(qū)動，其次才為頭部驅(qū)動或尾部驅(qū)動。而且，多電機驅(qū)動帶式輸送機驅(qū)動電機布置方式需綜合考慮降低帶強這一指標。在實際生產(chǎn)中，為減少工作面巷道的開拓量，并提高后期對巷道維護的便捷性，一般主要采用以頭尾驅(qū)動方式為主的雙滾筒帶式輸送機居多。本文將以雙滾筒帶式輸送機為例展開研究。

經(jīng)理論研究可知，影響雙滾筒帶式輸送機功率平衡的因素可歸類為靜態(tài)因素和動態(tài)因素。其中，靜態(tài)因素主要指的是帶式輸送機的驅(qū)動方式，而且從理論上分析雙滾筒帶式輸送機的功率平衡；對于動態(tài)影像而言主要包括有所選型驅(qū)動電機的機械特性、滾筒直徑的大小偏差以及輸送帶的剛性系數(shù)等[2]。

所謂雙滾筒帶式輸送機的功率平衡指的是，控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r根據(jù)負載對電機的轉(zhuǎn)矩進行合理分配。鑒于帶式輸送機異步電動機屬于多變量系統(tǒng)，為保證對異步電機控制的穩(wěn)定性和平衡精度，故采用矢量控制方式，其對應的功率平衡控制策略如圖1所示。

圖1 雙滾筒帶式輸送機功率平衡控制原理框圖

如圖1 所示，對雙滾筒帶式輸送機中的兩電機劃分為主電機和從電機，兩個電機之間的控制回路基于主從控制原理實現(xiàn)。其中，主電機所在主回路采用速度閉環(huán)控制原理，對帶式輸送機的整機速度進行控制；從電機所在從回路采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制原理，根據(jù)主回路中電機的轉(zhuǎn)矩對從回路中從電機的轉(zhuǎn)矩進行重新調(diào)整分配，從而實現(xiàn)兩電機的功率平衡。

2 多電機帶式輸送機功率平衡控制系統(tǒng)設計

為保證多電機輸送機功率平衡控制系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)矩分配的有效控制，其實現(xiàn)的基礎為帶式輸送機的基本功能可有效運行[3]。故，本節(jié)將針對多電機帶式輸送機對其功率平衡實現(xiàn)的基礎控制系統(tǒng)進行設計。

2.1 多電機帶式輸送機功率平衡控制系統(tǒng)的總體設計

要求所設計功率平衡控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機控制系統(tǒng)的常規(guī)保護功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機軟啟動以達到節(jié)能的效果。最重要的是，功率平衡控制系統(tǒng)可通過對油壓進行控制從而實現(xiàn)各個電機之間功率的平衡調(diào)整。故，設計如下頁圖2 所示的總體原理框圖。

2.2 關鍵元器件及控制軟件設計

2.2.1 關鍵元器件的選型

如圖2 所示控制箱中的核心控制器為PLC 控制器，結(jié)合當前工業(yè)中應用案例及綜采工作面的條件，確定選用S7-300 系列PLC 為核心控制器。根據(jù)功率平衡控制任務，對S7-300PLC 中關鍵部件進行選型，包括CPU 型號為315-2DP、數(shù)字量輸入模塊為SM321、模擬量輸入模塊為SM331、數(shù)字量輸出模塊為SM322[4]。根據(jù)功率平衡控制系統(tǒng)常規(guī)保護功能和常規(guī)任務，需為其配置各種關鍵傳感器，如表1 所示。

圖2 功率平衡控制總體設計原理框圖

表1 傳感器選型及參數(shù)

2.2.2 功率平衡控制流程的設計

多電機帶式輸送機功率平衡功能實現(xiàn)的基礎為設備能夠正常、平穩(wěn)啟動，其主要判斷依據(jù)為帶式輸送機主、從電機的電流值。對于單個功率平衡控制系統(tǒng)而言，其對應的控制流程如圖3 所示。

在實際控制中，核心控制器中已根據(jù)帶式輸送機的額定運量對兩個電機的功率進行合理分配。當在實際運輸過程中，發(fā)現(xiàn)其中一個電機電流值增大，即其運輸功率增大，此時，還需對輸送帶的實時運量進行監(jiān)測，排除電機出現(xiàn)故障的情況[5]。若，電機處于正常運行狀態(tài)則是由于運量增大而導致電機功率增大，為保證兩電機仍然在原分配比例下運行，需增大另一電機的運輸功率，從而實現(xiàn)雙電機運行的功率平衡。

3 功率平衡控制系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗

圖3 單個系統(tǒng)功率平衡控制流程圖

本文所設計功率平衡控制流程主要是解決雙電機驅(qū)動系統(tǒng)由于功率無法實施合理分配所導致的電機燒毀事故的發(fā)生和帶式輸送機耗能嚴重的問題。因此，將通過對功率平衡控制系統(tǒng)應用后電機出故障的次數(shù)和節(jié)能效果進行綜合試驗。

3.1 功率平衡問題的解決

經(jīng)實踐表明，功率平衡控制系統(tǒng)應用于實際生產(chǎn)之前，在一個月的時間內(nèi)雙滾筒帶式輸送機電機出現(xiàn)故障的次數(shù)為5 次；而采用功率平衡控制系統(tǒng)后，在試運行一個月的時間內(nèi)電機未出現(xiàn)故障。

3.2 節(jié)能效果

本文所研究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，在非滿載狀態(tài)下的運量為2 000 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，設備滿載運行時長約占總運行時長的60%，對應電機功率為551 kW，非滿載運行時長約占總運行時長的40%，在傳統(tǒng)控制策略下對應電機功率為374 kW，采用功率平衡節(jié)能控制策略后對應電機功率為246 kW。滿載運行時間為13 000 000 t÷4 000 t/h×60%=1 950 h，非滿載運行時間為13 000 000 t÷2 000 t/h×40%=2 600 h。

結(jié)合以往生產(chǎn)實踐，經(jīng)統(tǒng)計每年的耗電量為：551 kW×1 950 h+374 kW×2 600 h=2 046 850 kWh。

當帶式輸送機采用功率平衡控制系統(tǒng)后，每年的耗電量為：551 kW×1 950 h+246 kW×2 600 h=1 760 850 kWh。按照每度電價為0.5 元/kWh，則，每年可節(jié)約14.3 萬元。此外，電機故障次數(shù)的減少可直接降低維修費用。

4 結(jié)語

隨著工作面生產(chǎn)能力的增加，為匹配運輸能力需采用多電機驅(qū)動帶式輸送機。若解決不好多電機驅(qū)動帶式輸送機功率平衡問題容易導致電機燒毀。采用適量控制方式可實現(xiàn)雙滾筒帶式輸送機電機的功率平衡控制，并實現(xiàn)其節(jié)能運行。