朱小軍

（西山煤電（集團(tuán)）有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

帶式輸送機(jī)為煤礦運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，隨著綜采工作面采煤工藝及采煤設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，帶式輸送機(jī)朝著長(zhǎng)距離、高運(yùn)速以及低能耗的方向發(fā)展。為了滿足工作面大運(yùn)量的需求，目前主要以多電機(jī)完成對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制[1]。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)容易產(chǎn)生功率不平衡和能耗增加的問(wèn)題。因此應(yīng)在實(shí)現(xiàn)多電機(jī)帶式輸送功率平衡控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的節(jié)能控制。

1 多電機(jī)帶式輸送機(jī)存在的問(wèn)題及解決方法

對(duì)于多電機(jī)帶式輸送機(jī)而言，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的平穩(wěn)啟動(dòng)、保證實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中功率平衡以及保證設(shè)備能夠滿足煤礦運(yùn)量要求為其驅(qū)動(dòng)要求。從總體上來(lái)講，解決多電機(jī)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題是保證其基本驅(qū)動(dòng)功能的關(guān)鍵，一般的多電機(jī)帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中常存在如下問(wèn)題：

1）帶式輸送機(jī)張緊力控制不均勻?qū)е略趩?dòng)階段拉斷輸送帶；

2）在負(fù)載或者重載情況下啟動(dòng)由于驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶之間的速度不一致，導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致輸送帶著火；

3）每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率不一致，導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速不同，從而導(dǎo)致切軸現(xiàn)象的出現(xiàn)[2]。

本文所研究多電機(jī)帶式輸送機(jī)的參數(shù)如表1所示。

帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)輸煤炭、物料過(guò)程中導(dǎo)致其能耗過(guò)大的原因主要可以歸結(jié)為兩點(diǎn)：其一，由于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，即設(shè)備運(yùn)行效率降低；其二，設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身效率降低，從而導(dǎo)致電能損失較多，進(jìn)而造成損耗嚴(yán)重。因此，可從上述兩個(gè)方面解決多電機(jī)帶式輸送機(jī)耗能嚴(yán)重的問(wèn)題，即從設(shè)備和控制兩個(gè)層面。其中，針對(duì)設(shè)備層面主要是保證運(yùn)輸系統(tǒng)與和設(shè)備的匹配程度，降低設(shè)備的運(yùn)行阻力，從而降低設(shè)備運(yùn)行能耗。針對(duì)控制層面可通過(guò)如下節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

表1 多電機(jī)帶式輸送機(jī)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1）在系統(tǒng)層面為其配置超越離合器，根據(jù)工況需求增減運(yùn)行電機(jī)的數(shù)量；

2）采用逆序啟動(dòng)方式解決后續(xù)皮帶的空轉(zhuǎn)損耗，此方法僅適用于設(shè)備的啟動(dòng)階段，其節(jié)能效果有限；

3）采用星-三角節(jié)法電機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，此方法雖然節(jié)能效果顯著，但是其僅適用于短距離、小功率的設(shè)備；

4）采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗功能，該方法不僅效率高、調(diào)速范圍廣，而且具有良好的軟啟動(dòng)和軟停機(jī)性能[3]。

2 節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速技術(shù)的核心在于基于PLC 控制器通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）的時(shí)控制。本文所研究多電機(jī)帶式輸送機(jī)電機(jī)的布置方式為機(jī)頭布置，且具體布置比例為2:1，對(duì)應(yīng)的多電機(jī)帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性和直觀性，通過(guò)通信數(shù)據(jù)傳輸線將其PLC 采集的帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)上傳至上位機(jī)并實(shí)時(shí)顯示。

圖1 多電機(jī)帶式輸送機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 變頻器的選型

根據(jù)變頻器頻率控制原理的不同可分為交直交變頻器和交交變頻器。其中，交交變頻器由于其可控制頻率范圍較窄導(dǎo)致其不常被應(yīng)用；而交直交變頻器對(duì)應(yīng)可調(diào)頻率范圍較寬，且可實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)極調(diào)速的功能。因此，本方案選擇交直交變頻器。

鑒于多電機(jī)帶式輸送機(jī)對(duì)應(yīng)的負(fù)載類型一般為恒轉(zhuǎn)矩，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求較高，即對(duì)變頻器的性能要求較高[4]。綜合交直交變頻器各種控制方式的設(shè)備，最終確定選擇矢量控制方式的變頻器，其對(duì)應(yīng)的配置情況如圖2 所示。

圖2 矢量控制變頻器結(jié)構(gòu)配置示意圖

如圖2 所示，所選矢量控制變頻器的核心為SIMOVERT MV 電機(jī)，該電機(jī)具有啟動(dòng)電流小、力矩大以及啟動(dòng)時(shí)間可控制等特點(diǎn)，可減少系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械磨損，為降低系統(tǒng)的損耗奠定基礎(chǔ)。根據(jù)多電機(jī)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)應(yīng)電機(jī)的額定電壓為2.3 kV，額定功率為1 000 kW，對(duì)應(yīng)選擇變頻器的輸出電壓也需與2.3 kV 相匹配，綜合分析最終選型變頻器的具體型號(hào)為6SE8014-1AA01，其對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)如表2 所示。

2.3 其他器件的選型

多電機(jī)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除了核心變頻器外，另一核心器件為PLC 控制器。PLC 控制器的選型需根據(jù)節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輸出、輸入數(shù)量進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)后確定。針對(duì)多電機(jī)帶式輸送機(jī)的節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，除了其關(guān)鍵的節(jié)能控制功能外，還需具備帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的一般功能包括有對(duì)煤位、煙霧、拉緊、溫度等實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，還需對(duì)拉緊裝置、灑水裝置等進(jìn)行控制。綜合統(tǒng)計(jì)得出節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)輸入、輸出量的統(tǒng)計(jì)如表3 所示：

表2 6SE8014-1AA01 變頻器參數(shù)

表3 節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量與模擬量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)如表3 所示節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)需控制開(kāi)關(guān)量和模擬量的統(tǒng)計(jì)，綜合當(dāng)前應(yīng)用于工業(yè)中可靠性較高的PLC 控制器類型，最終選擇采用西門子系列的S7-300PLC 控制器。結(jié)合表3 中開(kāi)關(guān)量和模擬量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為S7-300PLC 控制器配置對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量輸入模塊的類型為SM331（8 位），數(shù)量為兩個(gè)；對(duì)應(yīng)模擬量輸入模塊的類型為SM321（8 位），數(shù)量為一個(gè)；對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)輸出模塊的類型為SM323（8 位），數(shù)量為一個(gè)。

變頻調(diào)速系統(tǒng)控制的核心根據(jù)輸送帶的運(yùn)量通過(guò)變頻器對(duì)輸送帶的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3 節(jié)能效果驗(yàn)證

針對(duì)某煤礦煤炭的運(yùn)輸量按照1 300 萬(wàn)t 核算[5]，由上頁(yè)表1 可知其在滿載運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的運(yùn)量為4 000 t/h，帶式輸送機(jī)的帶速可在1～5.5 m/s 運(yùn)行。在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)下，該礦三電機(jī)帶式輸送機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)間為總共工作時(shí)長(zhǎng)的60%，在非滿載運(yùn)行的時(shí)間占總工作時(shí)長(zhǎng)的40%。

經(jīng)計(jì)算可得：該礦在滿載運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)長(zhǎng)為1 300 萬(wàn) t÷4 000 t/h×60%=1 950 h；在非滿載運(yùn)行狀態(tài)（輸送帶運(yùn)行速度按照2 000 t/h 計(jì)算）下的時(shí)長(zhǎng)為1 300 萬(wàn)t÷2 000 t/h×40%=2 600 h。當(dāng)設(shè)備在滿載運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)應(yīng)三電機(jī)的總功率為551 kW，則在滿載狀態(tài)下所消耗的電能約為551 kW×1 950 h=1 074 450 kWh；當(dāng)設(shè)備在非滿載運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)應(yīng)三電機(jī)的平均總功率為374 kW，則在滿載狀態(tài)下所消耗的電能約為：374 kW×2 600 h=972 400 kWh。則可得出，在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)下所消耗的總電能為1 074 450 kWh+972 400 kWh=2 046 850 kWh。

當(dāng)采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)后，針對(duì)在非滿載運(yùn)行工況下其對(duì)應(yīng)輸送帶的速度較滿載狀態(tài)下減半，此時(shí)對(duì)應(yīng)三電機(jī)所消耗的總功率為246 kWh。則，可得出在節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)下可節(jié)約電能為（374-246）×2 600=332 800 kWh。

4 結(jié)論

1）基于變頻器和PLC 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制，其中所選型變頻器的具體型號(hào)為 6SE8014-1AA01，PLC 控制器的具體系列為S7-300。

2）實(shí)踐表明，采用基于變頻調(diào)速控制技術(shù)后的多電機(jī)帶式輸送機(jī)每年運(yùn)輸1 300 萬(wàn)t 煤炭可節(jié)約電量約為332 800 kWh。