張志強(qiáng)

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司，山西 大同 037000）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，煤炭資源需求量不斷增加，煤炭掘進(jìn)工作量逐年提高[1]。帶式輸送機(jī)作為煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備，其工作環(huán)境極為復(fù)雜，并且?guī)捷斔蜋C(jī)運(yùn)行過(guò)程中載荷波動(dòng)較大，存在輸送量降低，輸送機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)電能的浪費(fèi)，加大了帶式輸送機(jī)的磨損[2-4]。近年來(lái)，按照推行節(jié)能降耗、資源綜合利用、可持續(xù)發(fā)展的政策要求，帶式輸送機(jī)具有運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)載、能耗大等特點(diǎn)[5-6]。因此開(kāi)展能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作對(duì)于降低煤礦生產(chǎn)成本，建設(shè)資源節(jié)約型和生態(tài)環(huán)境友好型煤炭企業(yè)意義重大。

1 帶式輸送機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件包括驅(qū)動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒和皮帶等部件，通過(guò)皮帶的閉環(huán)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物料的輸送功能。如圖1所示為礦用皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，包括機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置、輸送帶、張緊裝置等，其中機(jī)架用于支撐皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，保持固定的位置；驅(qū)動(dòng)裝置主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、制動(dòng)器等，固定于機(jī)架為皮帶的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力；輸送帶主要負(fù)責(zé)煤炭的傳輸與承載；張緊裝置用于滾筒與皮帶之間的張緊，保持足夠的摩擦力；其余組成部件主要配合煤炭輸送功能的實(shí)現(xiàn)。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 總體方案設(shè)計(jì)

基于帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，完成了控制系統(tǒng)總體方案，如圖2所示。其中PLC控制系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，根據(jù)實(shí)際采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)出控制信號(hào)；變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)、欠壓保護(hù)、隔離變壓器等，確保控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)采集數(shù)值，供監(jiān)控人員及時(shí)掌握皮帶輸送機(jī)運(yùn)行情況；信號(hào)監(jiān)控裝置主要完成皮帶輸送機(jī)電壓、電流、溫度等信號(hào)的監(jiān)測(cè)采集。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 控制器PLC

PLC作為帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)中的核心部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。基于PLC核心控制器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖3所示。由下頁(yè)圖3可以看出，帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)由上位機(jī)向PLC發(fā)送控制信號(hào)，之后PLC進(jìn)行信號(hào)的分析處理發(fā)出變頻器控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成帶式輸送機(jī)的節(jié)能運(yùn)行控制。系統(tǒng)中配置的速度傳感器、電子皮帶秤、保護(hù)傳感器等監(jiān)測(cè)元件采集得到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，會(huì)同變頻器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，一并傳輸至PLC進(jìn)行分析處理，之后傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，供監(jiān)控人員及時(shí)了解帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀況。

圖3 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.2 變頻器

能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)中的變頻器型號(hào)為西門(mén)子生產(chǎn)的6SE7138-6HG62-3BA0，其工作過(guò)程中的額定電流輸出值為860 A，電壓的輸入范圍為600~690 V。帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3臺(tái)變頻器，分別控制3臺(tái)交流異步電機(jī)，依次編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)。如圖4所示為變頻器的外接控制主電路，變頻器輸入電源來(lái)源于配電柜斷路器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟停由變頻器控制。

圖4 變頻器外接控制主電路

3.1.3 監(jiān)測(cè)器件選型

帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)煤流量監(jiān)測(cè)由電子皮帶秤完成，結(jié)合系統(tǒng)需求選擇了ICS-ST型礦用電子皮帶秤。帶式輸送機(jī)功率的監(jiān)測(cè)主要由EDA9033A型三相功率采集模塊測(cè)量，該功率監(jiān)測(cè)模塊的電壓量程是10~500 V，電流的量程是1~1 000 A，系統(tǒng)中涉及3臺(tái)變頻器，需要配置3個(gè)EDA9033A型功率采集模塊。皮帶運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)由速度傳感器完成，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件，速度傳感器選擇的型號(hào)為GSC4，具備較好的監(jiān)測(cè)精度和靈敏性。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序

控制系統(tǒng)主程序的作用主要是完成子程序的調(diào)用，達(dá)到帶式輸送機(jī)的集中控制與管理，結(jié)合帶式輸送機(jī)的布置情況，完成了主程序的設(shè)計(jì)，如圖5所示。程序設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，節(jié)能調(diào)速程序采用了PLC模糊控制器設(shè)計(jì)，具有很好的可靠性。各個(gè)子程序之間相互獨(dú)立，能夠平行調(diào)用，互不干擾，確保了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

圖5 控制系統(tǒng)主程序

3.2.2 功率平衡控制程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)工作過(guò)程中需要多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必然存在功率分配不均勻的情況，因此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了功率平衡控制程序。該程序能夠控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行頻率，確保各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在給定目標(biāo)數(shù)值的附近，實(shí)現(xiàn)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率的均衡。

3.2.3 能耗優(yōu)化控制程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)煤炭流量時(shí)刻變化，如若反反復(fù)復(fù)調(diào)整帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)必將增加控制的難度，而且會(huì)增加機(jī)械磨損和能源消耗。因此，為了降低煤流量波動(dòng)對(duì)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的干擾，根據(jù)實(shí)際情況將煤炭流量劃分成[Q0，Q1]、[Q1，Q2]、…、[Qn-i，Qn]等n個(gè)區(qū)間，設(shè)定各個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的合理速度。帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)時(shí)采集得到的煤流量區(qū)間執(zhí)行規(guī)定的速度，實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化控制的目的。為了防止煤流量的擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)造成誤動(dòng)作，在煤流量變化時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行判別，如下頁(yè)圖6所示的能耗優(yōu)化控制程序。

圖6 能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)流程圖

3.2.4 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面作為能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是實(shí)時(shí)顯示帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，供監(jiān)控人員及時(shí)掌握各個(gè)參數(shù)的實(shí)測(cè)值及變化趨勢(shì)；同時(shí)，監(jiān)控人員也能夠根據(jù)參數(shù)實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)及時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制。能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)人機(jī)交互主界面如下頁(yè)圖7所示，其中包括系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、電控柜的電壓實(shí)時(shí)值、控制模式切換等顯示界面，還包括歷史曲線調(diào)用、故障記錄查看等切換按鍵，能夠很好地滿足帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制功能。

圖7 控制系統(tǒng)主界面

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性，將其應(yīng)用于某煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行試運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行為期3個(gè)月的跟蹤記錄。結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制功能。能耗優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了帶式輸送機(jī)能源消耗，年節(jié)電費(fèi)約為70萬(wàn)元，機(jī)械磨損較輕，年節(jié)省材料配件費(fèi)約14.5萬(wàn)元，提高了企業(yè)的創(chuàng)新能力，降低了煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。