黨小煒

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

帶式輸送機(jī)以及顯著的優(yōu)勢(shì)在煤礦領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，煤礦工作面中利用采煤機(jī)開(kāi)采獲得的煤塊，需要利用帶式輸送機(jī)進(jìn)行輸送，具有很高的運(yùn)輸效率[1]。一般而言，煤礦開(kāi)采時(shí)帶式輸送機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，是礦井中比較典型的耗能裝備[2]。近年我國(guó)向世界承諾，在未來(lái)幾十年內(nèi)要達(dá)到碳達(dá)峰和碳中和。在這樣的背景下，節(jié)能減排政策的壓力越來(lái)越大。帶式輸送機(jī)作為礦井中耗能較大的裝備，采取有效措施降低運(yùn)行中的能耗是煤礦企業(yè)急需解決的問(wèn)題[3]。節(jié)能降耗不僅是響應(yīng)國(guó)家號(hào)召的重要表現(xiàn)形式，也是降低企業(yè)運(yùn)行成本的重要手段[4]。本文基于先進(jìn)的PLC控制器設(shè)計(jì)了礦用帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)煤炭實(shí)際輸送量對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

1 帶式輸送機(jī)及問(wèn)題概述

1.1 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)是煤礦中比較重要的輔助運(yùn)輸裝備，本文以煤礦中使用的DTL120/150/2×200型帶式輸送機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究，帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，帶式輸送機(jī)主要由拉緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、清掃裝置、托輥以及輸送帶等部分構(gòu)成[5]。其中輸送帶的作用是對(duì)煤塊物料進(jìn)行支撐，實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)輸，驅(qū)動(dòng)裝置的作用是在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)膠帶做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，拉緊裝置的作用是確保膠帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間有足夠的摩擦力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，托輥的作用是對(duì)膠帶進(jìn)行支撐，清掃裝置的作用是對(duì)灑落的煤塊物料進(jìn)行清掃，避免對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行過(guò)程造成不良影響。

圖1 帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Overall structure diagram of belt conveyor

1.2 存在的問(wèn)題分析

煤礦工作面利用采煤機(jī)開(kāi)采獲得的煤塊物料需要及時(shí)通過(guò)帶式輸送機(jī)輸送到指定位置，所以煤礦開(kāi)采時(shí)帶式輸送機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。但是傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)沒(méi)有配備變頻器，導(dǎo)致設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。煤礦開(kāi)采過(guò)程是不連續(xù)的，實(shí)際開(kāi)采得到的煤炭量隨時(shí)間不斷變化。如果帶式輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間以最高速度運(yùn)行，會(huì)造成電力能源浪費(fèi)，不滿足我國(guó)節(jié)能減排的基本政策。煤礦工作面的環(huán)境較為復(fù)雜，帶式輸送機(jī)工作時(shí)如果遇到特殊情況，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)檢查無(wú)誤后再啟動(dòng)，此時(shí)屬于重載啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程會(huì)對(duì)設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)造成很大的沖擊[7]。研究對(duì)象同時(shí)由兩部電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如何確保兩部電機(jī)之間的功率平衡是需要解決的問(wèn)題。另外，根據(jù)我國(guó)的用電政策，在夜間低谷期用電時(shí)的電價(jià)較為便宜，在白天高峰期用電時(shí)的電價(jià)相對(duì)較高，如果控制系統(tǒng)不加以區(qū)別對(duì)待，會(huì)在一定程度上增加煤礦企業(yè)的電費(fèi)支出。

2 節(jié)能系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

考慮到帶式輸送機(jī)是煤礦中比較重要的耗能裝備，為了在最大限度上降低設(shè)備的能耗大小，在充分結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，利用PLC控制器設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)的節(jié)能系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)工作時(shí)，首先需要利用各類傳感器對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行速度、煤礦物料供給速度以及煤倉(cāng)中的煤量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇LC控制器中進(jìn)行分析處理?？刂破鞲鶕?jù)檢測(cè)結(jié)果以及內(nèi)置的優(yōu)化算法程序，判斷帶式輸送機(jī)與煤礦供給速度的匹配程度，同時(shí)考慮煤倉(cāng)中的料位高低、用電時(shí)間段等因素，在保證不影響煤礦開(kāi)采和運(yùn)輸?shù)那疤嵯?，給出最小的帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，確保設(shè)備的能耗和電價(jià)保持在較低的水平，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of belt conveyor control system

2.2 主要硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以PLC控制器作為核心，為了提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，要求設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)與其他組件保持互相獨(dú)立。設(shè)計(jì)時(shí)要求各個(gè)硬件設(shè)施具有安全防爆功能，以適應(yīng)礦井復(fù)雜的工況環(huán)境?；赑LC的控制系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)框架如圖3所示，以下對(duì)系統(tǒng)中用到的主要硬件設(shè)施進(jìn)行介紹。

(1)PLC控制器。在對(duì)比不同類型PLC控制器性能和成本的基礎(chǔ)上，選用S7-1200型PLC控制器。該控制器具有優(yōu)良的性能，可以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析處理。同時(shí)控制器具有豐富的通信接口和I/O接口，可以便捷的與其他硬件設(shè)施進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互[8]。為輸送機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸、故障檢測(cè)與診斷、系統(tǒng)保護(hù)等提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

(2)膠帶秤。膠帶秤的作用是對(duì)輸送機(jī)中運(yùn)輸量進(jìn)行檢測(cè)，選用的是ICS電子膠帶秤。主要是利用質(zhì)量傳感器對(duì)煤炭量進(jìn)行檢測(cè)，并且輸出為標(biāo)準(zhǔn)的模擬量電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、A/D模塊轉(zhuǎn)換后可以在顯示面板上進(jìn)行展示。選用的膠帶秤整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、具有良好的檢測(cè)精度、方便維護(hù)。

圖3 控制系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of main hardware structure of control system

(3)煤倉(cāng)料位計(jì)。煤倉(cāng)的作用是對(duì)開(kāi)采得到的煤塊物料進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，然后利用輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸。本系統(tǒng)基于雷達(dá)料位計(jì)對(duì)煤倉(cāng)料位進(jìn)行檢測(cè)，具體型號(hào)為VEGAPLUS 68，已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該傳感器具有良好的檢測(cè)精度，能滿足復(fù)雜的礦井工礦環(huán)境，輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的模擬量電流信號(hào)。

(4)變頻器。控制系統(tǒng)中需要通過(guò)變頻器調(diào)整輸入電機(jī)中的電流頻率，從而對(duì)輸送機(jī)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。選用的是BPJ系列變頻器，具有良好的防爆功能，利用變頻器可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的功率平衡、軟啟動(dòng)等。

(5)速度傳感器。速度傳感器的原理是將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成為一定頻率的脈沖信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算器進(jìn)行計(jì)數(shù)處理后獲得對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度。系統(tǒng)中選用的速度傳感器型號(hào)為CS1。

(6)各種保護(hù)傳感器。為了避免帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)打滑、跑偏、撕裂、堆煤等問(wèn)題，需利用傳感器對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)。另外，為了保障煤礦運(yùn)行環(huán)境安全，需要對(duì)環(huán)境中的瓦斯、煙霧、溫度等進(jìn)行檢測(cè)。

(7)功率采集模塊。主要是對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行中的功率、電流及電壓等參數(shù)進(jìn)行采集，以更好地掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，確保設(shè)備運(yùn)行安全和可靠。系統(tǒng)中選用的功率采集模塊型號(hào)為L(zhǎng)M-704。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)前，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)需要的數(shù)字量模擬信號(hào)輸入接口和模擬量輸入接口的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以上2個(gè)接口的數(shù)量分別為18個(gè)和2個(gè)。為了實(shí)現(xiàn)輸送帶預(yù)警以及交流接觸器的控制，需要2個(gè)數(shù)字量輸出模塊接口，通過(guò)輸出模塊接口實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)控制和制動(dòng)閘的控制。

PLC控制器基于模塊化思想設(shè)計(jì)，在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)需要對(duì)PLC控制器的各個(gè)模塊進(jìn)行選擇，在選擇模塊時(shí)需要考慮控制系統(tǒng)未來(lái)的拓展需求，預(yù)留一定的裕量。

表1 PLC控制器各個(gè)模塊的選擇情況Tab.1 Selection condition of each module of PLC controller

根據(jù)PLC控制器各個(gè)模塊的選型情況，可以對(duì)整個(gè)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。PLC控制系統(tǒng)的接線原理如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)的接線原理示意Fig.4 Schematic diagram of wiring principle of PLC control system

由圖可知，PLC控制單元通過(guò)各類輸入、輸出或通信接口實(shí)現(xiàn)與其他模塊之間的連接，將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息全部輸入到PLC控制器中進(jìn)行分析與處理。

CPU模塊還通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)并在顯示屏上顯示，以便工作人員能及時(shí)、直觀地掌握帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

4 PLC控制器的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，硬件部分是實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，軟件部分是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的靈魂。在軟件程序的驅(qū)動(dòng)下才能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程的優(yōu)化控制并實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。

4.1 軟啟動(dòng)控制

帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)過(guò)程的基本工作流程如圖5所示。由圖5可知，程序啟動(dòng)運(yùn)行以后，首先對(duì)保護(hù)進(jìn)行檢測(cè)，確保能夠正常工作后才會(huì)啟動(dòng)抱閘，如果保護(hù)無(wú)法正常工作，則會(huì)拒絕開(kāi)車啟動(dòng)。然后依次對(duì)電機(jī)風(fēng)扇、張緊裝置是否啟動(dòng)、變頻器是否啟動(dòng)并按“S”形曲線控制頻率從零增加等進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)環(huán)節(jié)在確保正常工作后才會(huì)進(jìn)入下個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)軟啟動(dòng)能夠降低帶式輸送機(jī)在重載啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備自身造成的沖擊，以及對(duì)井下供電網(wǎng)絡(luò)造成的沖擊，提升設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性，降低故障率[9]。

圖5 軟啟動(dòng)過(guò)程的工作流程Fig.5 Workflow of soft start process

4.2 功率平衡控制

研究的帶式輸送機(jī)同時(shí)由2部電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)之間的功率平衡是提升電機(jī)壽命，并保證輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和前提。因此，需要通過(guò)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩部電機(jī)之間的功率平衡[10]。在供電電壓相同的情況下，電流是反映電機(jī)功率的重要指標(biāo)。因此，需要對(duì)2部電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流I1和I2分別進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算兩者的平均值Ip。當(dāng)電機(jī)電流與平均值之間的差別不超過(guò)5%時(shí)，不對(duì)電機(jī)的運(yùn)行功率進(jìn)行調(diào)整，目的在于避免頻繁調(diào)整電機(jī)功率影響系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。當(dāng)兩者之間的差別超過(guò)5%時(shí)，通過(guò)降低功率較大電機(jī)的供電頻率和增加功率較小電機(jī)的供電頻率的方式，來(lái)減小2部電機(jī)之間的功率差值，直到兩部電機(jī)的功率差值在系統(tǒng)設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)為止。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制

節(jié)能降耗是PLC控制系統(tǒng)的重要功能之一，主要從2個(gè)方面著手降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電能消耗。①對(duì)輸送煤量和運(yùn)行速度進(jìn)行檢測(cè)，確保兩者之間相互匹配，避免長(zhǎng)時(shí)間高轉(zhuǎn)速運(yùn)行造成的電能浪費(fèi)；②對(duì)于大型企業(yè)不同時(shí)間段的電價(jià)存在差異，通常深夜的電價(jià)相對(duì)便宜，白天的電價(jià)相對(duì)更高，配合煤倉(cāng)的使用，在確保煤倉(cāng)安全的情況下盡量降低用電高峰期設(shè)備的運(yùn)行速度，提升用電低谷期設(shè)備的運(yùn)行速度，從而減低企業(yè)的電費(fèi)支出。PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制工作流程如圖6所示。

圖6 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制工作流程Fig.6 Optimized control workflow of PLC control system

由圖6可知，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，首先檢測(cè)保護(hù)是否正常，不正常則拒絕開(kāi)車并預(yù)警，如果保護(hù)正常則進(jìn)行軟啟動(dòng)，然后開(kāi)始對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度、輸送煤量以及煤倉(cāng)料位等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并結(jié)合用電時(shí)間段分析是否滿足調(diào)速條件。如果滿足調(diào)速條件，則開(kāi)始進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，確定最優(yōu)的運(yùn)行速度，下達(dá)指令對(duì)變頻器進(jìn)行控制，輸出對(duì)應(yīng)的供電頻率，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的優(yōu)化控制。

4.4 系統(tǒng)故障預(yù)警

PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)利用傳感器對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)以及常見(jiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果傳入控制器中進(jìn)行分析處理。針對(duì)每個(gè)環(huán)境參數(shù)或故障問(wèn)題，系統(tǒng)都設(shè)定有安全閾值范圍，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果不在安全閾值范圍以內(nèi)時(shí)，意味著存在安全隱患或故障問(wèn)題。為了保證井下設(shè)備和人員安全，系統(tǒng)會(huì)下達(dá)指令對(duì)輸送機(jī)作停機(jī)處理。

5 PLC控制器在輸送機(jī)中的應(yīng)用效果

將設(shè)計(jì)的基于PLC控制器的帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，首先對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行初步調(diào)試，確保能夠正常運(yùn)行后正式投入應(yīng)用。為了分析系統(tǒng)的運(yùn)行效果，對(duì)帶式輸送機(jī)未使用系統(tǒng)和使用系統(tǒng)的情況下，分別統(tǒng)計(jì)了連續(xù)一周內(nèi)的煤礦運(yùn)輸情況及電量參數(shù)。帶式輸送機(jī)在應(yīng)用節(jié)能系統(tǒng)前后的能耗情況對(duì)比如圖7所示，圖7中恒速運(yùn)行代表未使用節(jié)能系統(tǒng)，節(jié)能運(yùn)行代表應(yīng)用了節(jié)能系統(tǒng)。

圖7 節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)用前后帶式輸送機(jī)的能耗情況對(duì)比Fig.7 Comparison of energy consumption of belt conveyor before and after application of energy-saving system

由圖7可知，帶式輸送機(jī)在使用節(jié)能系統(tǒng)前后1周內(nèi)，運(yùn)輸?shù)拿旱V物料總量分別為23.858 083萬(wàn)t和23.868 943萬(wàn)t，兩者相差不大。使用系統(tǒng)前，1周內(nèi)耗費(fèi)的電量為252 402.07 kWh，使用后的耗費(fèi)電量為176 693.82 kWh。根據(jù)不同時(shí)間段的電價(jià)可以計(jì)算得到，1周內(nèi)的總電價(jià)分別為124 737.1元和71 004.87元?；谝陨蠑?shù)據(jù)可以看出，在運(yùn)輸總量相差不大的情況下，使用基于PLC控制器的節(jié)能系統(tǒng)使得耗電量和總電價(jià)大幅度降低。

為了更好地對(duì)比分析，對(duì)輸送機(jī)的能耗和總電價(jià)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到萬(wàn)噸輸送量對(duì)應(yīng)的能耗以及總電價(jià)情況。能耗方面：W恒=10 579.31 kWh，W節(jié)= 7 402.56 kWh；電價(jià)方面：J恒= 5 228.30元/周，J節(jié)=2 974.78元/周。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以得到，使用節(jié)能系統(tǒng)后，帶式輸送機(jī)在能耗和電價(jià)方面的降低幅度，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，能耗和電價(jià)的降低幅度分別達(dá)到了30.03%和43.1%。說(shuō)明基于PLC控制器的節(jié)能系統(tǒng)取得了較好的效果，可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 使用節(jié)能系統(tǒng)后能耗和電價(jià)的優(yōu)化效果Fig.8 Optimization effect of energy consumption and electricity price after using energy-saving system

6 結(jié)論

以DTL120/150/2×200型帶式輸送機(jī)為對(duì)象，基于先進(jìn)的PLC控制器設(shè)計(jì)了設(shè)備的節(jié)能系統(tǒng)，可達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

(1)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)利用各類傳感器對(duì)帶式輸送機(jī)的安全參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果傳入PLC控制器中進(jìn)行分析處理，在保證設(shè)備運(yùn)行安全的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行速度的優(yōu)化控制。

(2)選用的PLC控制器型號(hào)為S7-1200，具有良好的性能。采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括CPU模塊、電源模塊、數(shù)字量和模擬量輸入模塊等。

(3)從設(shè)備軟啟動(dòng)、多電機(jī)功率平衡、運(yùn)行速度優(yōu)化和系統(tǒng)故障預(yù)警4個(gè)層面詳細(xì)介紹了節(jié)能系統(tǒng)的軟件程序工作流程。系統(tǒng)可綜合考慮實(shí)際運(yùn)輸煤量、煤倉(cāng)料位、用電時(shí)間段等因素對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。

(4)將基于PLC控制器的帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)效果良好。與未使用系統(tǒng)前相比較，電能消耗和電價(jià)支出分別降低了30.03%和43.1%，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性也顯著提升，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。