朱履貝
(山西新景礦煤業(yè)有限責任公司, 山西 陽泉 045000)
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。
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。
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。
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。
2.2.1 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。
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。
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。
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。
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。