張德貴

（山西西山華通水泥有限公司， 山西 古交 030200）

引言

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，隨著綜采工藝及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的提升，帶式輸送機(jī)朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展，其耗電量在煤礦生產(chǎn)中的占比較大。而且由于工作面煤炭產(chǎn)量不恒定導(dǎo)致常出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。因此，提高帶式輸送機(jī)的輸送效率，實(shí)現(xiàn)運(yùn)速與運(yùn)量相匹配的控制是實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵[1]。本文將著重對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。

1 帶式輸送機(jī)能效優(yōu)化理論

帶式輸送機(jī)主要由輸送帶、驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)、張緊風(fēng)系統(tǒng)、清掃裝置以及托輥等組成，如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)模型示意圖

實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，是在保證帶式輸送配件具備高性能、高壽命以及低損耗的基礎(chǔ)上完成的，其核心在于要求帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)能夠結(jié)合最有效的控制算法對(duì)輸送電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。針對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化可通過(guò)對(duì)其控制流程、功率匹配優(yōu)化、電機(jī)接線優(yōu)化以及速度控制優(yōu)化等多個(gè)層面進(jìn)行著手實(shí)施。其中，就節(jié)能控制方式而言可通過(guò)流程優(yōu)化、功率優(yōu)化以及異步電機(jī)Y-△接法和速度優(yōu)化實(shí)現(xiàn)；就調(diào)速智能控制技術(shù)而言可采用PID 控制、模糊控制以及智能控制為主。當(dāng)前，針對(duì)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可采用直接啟動(dòng)、液力耦合器驅(qū)動(dòng)、可控啟動(dòng)傳輸以及變頻啟動(dòng)集中方式，各個(gè)調(diào)速方式的對(duì)比可總結(jié)如表1 所示。

表1 各種調(diào)速方式優(yōu)劣性能對(duì)比

綜合對(duì)比上述各種調(diào)速方式性能的優(yōu)劣，變頻調(diào)速是帶式輸送機(jī)的最佳控制方式。

本文從對(duì)帶式輸送機(jī)功率的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)入手對(duì)其進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究[2]。具體分析可知，影響帶式輸送機(jī)功率的因素包括有設(shè)備的結(jié)構(gòu)（托輥直徑、間距、帶寬、下垂度等）、電機(jī)能量的損耗（定子、轉(zhuǎn)子的銅耗和鐵芯、機(jī)械以及其他損耗等）、工作環(huán)境溫度以及供給速度與運(yùn)轉(zhuǎn)速度的匹配程度。本文從實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)供給速度與運(yùn)轉(zhuǎn)速度的高度匹配問(wèn)題入手解決其節(jié)能控制問(wèn)題。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)對(duì)帶式輸送機(jī)能效分析研究可知，當(dāng)前解決帶式輸送機(jī)運(yùn)速與運(yùn)量不匹配的問(wèn)題是降低其能耗的關(guān)鍵。因此，本文所涉及帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)包括最基礎(chǔ)的對(duì)運(yùn)量監(jiān)測(cè)和運(yùn)速監(jiān)測(cè)控制的功能，除此之外，要求帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)具備對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)保護(hù)功能，包括對(duì)帶式輸送機(jī)堆煤、撕裂、煙霧報(bào)警、防滑以及跑偏等故障的保護(hù)[3]。在對(duì)上述節(jié)能系統(tǒng)的基本功能描述的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖2 所示的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基于上述帶式輸送節(jié)能系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，根據(jù)輸送帶的實(shí)時(shí)運(yùn)量和實(shí)施功率，基于PLC 控制器通過(guò)變頻器對(duì)輸送機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。針對(duì)輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)量的監(jiān)測(cè)，基于ICS 電子皮帶秤實(shí)現(xiàn)。帶式輸送機(jī)電機(jī)的實(shí)時(shí)功率基于功率采集模塊完成，包括對(duì)電機(jī)運(yùn)行電流、電壓以及功率等參數(shù)的采集；帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)速基于速度傳感器完成。

當(dāng)前為保證輸送能力滿足工作面的生產(chǎn)需求，一般為帶式輸送機(jī)配置兩臺(tái)電機(jī)，通過(guò)雙電機(jī)提升其運(yùn)輸能力。根據(jù)雙電機(jī)帶式輸送機(jī)運(yùn)速的變頻控制總體設(shè)計(jì)方案，為其配置以1214CPU 的S7-1200PLC 控制器；配置數(shù)字量輸入模塊的型號(hào)為SM1221，該模塊支持8 點(diǎn)數(shù)字量輸入；所配置的模擬量輸入模塊的型號(hào)為SM1231；配置CM1234-5 通信模塊實(shí)現(xiàn)PLC 控制器CPU 與變頻器之間的通信。

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。

2.2 帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于多電機(jī)帶式輸送機(jī)而言，在上述設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需相應(yīng)的軟件才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶式輸送的節(jié)能運(yùn)行控制，期間需通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)控制，解決雙電機(jī)功率不平衡的問(wèn)題，并對(duì)運(yùn)行過(guò)程中所存在的故障進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。

帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)控制在設(shè)備及系統(tǒng)具備啟動(dòng)條件下按照預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)曲線通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軟啟動(dòng)，當(dāng)頻率達(dá)到設(shè)定值后軟啟動(dòng)完成[4]。

對(duì)于多電機(jī)帶式輸送機(jī)而言，實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的運(yùn)行功率的平衡控制是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，其控制核心為對(duì)各電機(jī)的實(shí)時(shí)電流信息進(jìn)行采集，根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)量計(jì)算得出電機(jī)的平均電流值，并通過(guò)控制兩電機(jī)的頻率對(duì)其功率進(jìn)行平衡控制，具體控制流程如圖3 所示。

圖3 多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率平衡控制流程圖

之外，要求帶式輸送節(jié)能系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各類保護(hù)傳感器數(shù)據(jù)的采集實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備停機(jī)、報(bào)警等動(dòng)作的控制。

3 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化效果

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化主要目的是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行，為驗(yàn)證上述對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的效果，分別取在優(yōu)化前7 d 設(shè)備運(yùn)行的運(yùn)輸量和耗電量與優(yōu)化后7 d 設(shè)備運(yùn)行的運(yùn)輸量和耗電量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化效果對(duì)比

分析表1 可知，對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后設(shè)備在7 d 內(nèi)的運(yùn)輸總量變化不大，但是優(yōu)化后設(shè)備總的耗電量減少29.9%，每天約節(jié)約電費(fèi)5 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

由于帶式輸送機(jī)是綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，需在保證帶式輸送日常運(yùn)輸任務(wù)需求的基礎(chǔ)上需實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的節(jié)能控制，并通過(guò)軟啟動(dòng)控制、電機(jī)的平衡控制以及故障預(yù)警控制等功能保證設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[5]。經(jīng)實(shí)踐表明，對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后耗電量較優(yōu)化前減少約30%，每天節(jié)約電費(fèi)約5 萬(wàn)元。