王明會

（西山煤電（集團(tuán)）有限公司屯蘭選煤廠，山西 太原 030200）

引言

皮帶機(jī)是一種依靠驅(qū)動電機(jī)和輸送帶進(jìn)行物料運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，具有傳輸效率高、經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，是煤礦上物料運(yùn)輸?shù)暮诵难b備。特別是隨著皮帶機(jī)系統(tǒng)不斷朝著高帶速、大運(yùn)量、長距離發(fā)展，皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性對煤礦物料運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)性的影響越發(fā)突出。受井下綜采作業(yè)效率的影響，皮帶機(jī)上的煤炭分布經(jīng)常會出現(xiàn)變化，在不同的時間其負(fù)載狀態(tài)不同，但皮帶機(jī)均以最高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅能耗高而且會加劇皮帶機(jī)系統(tǒng)的磨損，降低其使用壽命。

結(jié)合帶式皮帶機(jī)的物料運(yùn)輸需求及節(jié)能降本的發(fā)展趨勢，本文提出了一種新的基于變頻調(diào)速的皮帶機(jī)節(jié)能控制技術(shù)，以視頻監(jiān)控和變頻控制為核心，通過建立煤量-帶速最佳匹配模型，將煤量作為調(diào)整依據(jù)，通過變頻系統(tǒng)對輸送帶的運(yùn)行帶速進(jìn)行靈活調(diào)整。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⑵C(jī)運(yùn)行平均帶速降低23.4%，將運(yùn)行能耗降低11.6%，對提升皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有十分重要的意義。

1 節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合皮帶機(jī)節(jié)能運(yùn)行控制需求，本文所提出的皮帶機(jī)節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，包括上位機(jī)系統(tǒng)，井下數(shù)據(jù)控制中心及變頻控制系統(tǒng)三個部分[1]。上位機(jī)用于顯示皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及調(diào)整情況，井下數(shù)據(jù)控制中心用于對監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的負(fù)載情況、運(yùn)行帶速進(jìn)行監(jiān)測，對負(fù)載-帶速匹配情況進(jìn)行分析，確定是否對皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。變頻控制系統(tǒng)主要是接收數(shù)據(jù)控制中心的調(diào)整信號，然后輸出變頻控制信號，對皮帶機(jī)運(yùn)行的帶速進(jìn)行靈活調(diào)整。該皮帶機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 皮帶機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

井下數(shù)據(jù)控制中心的核心為PLC 控制器，通過CAN 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)相連通，利用PROFIBUS 數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)[2]和變頻控制系統(tǒng)相連接，保證整個皮帶機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的可靠性和穩(wěn)定性。

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，控制中心接收到視頻傳感器、帶速傳感器等監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)谋O(jiān)測信息，快速完成對皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、煤量、帶速等數(shù)據(jù)的對比分析，對皮帶機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行自動判斷，將調(diào)整信號傳輸?shù)阶冾l控制中心，實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)系統(tǒng)煤量-帶速的匹配運(yùn)行調(diào)節(jié)，提高皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在皮帶機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC 控制器的運(yùn)行穩(wěn)定性直接決定了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和可靠性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時，選擇了西門子的6ES71 型變頻控制裝置，其具有多模塊通信接口，能夠根據(jù)不同的控制需求進(jìn)行拓展，滿足不同情況下的控制需求。不同的功能由對應(yīng)的處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，數(shù)據(jù)處理速度快、穩(wěn)定性高。該系統(tǒng)的硬件控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由上頁圖2 可知，在該系統(tǒng)中上位機(jī)對PLC 控制器發(fā)出調(diào)節(jié)控制指令，然后PLC 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后通過控制變頻器來對皮帶機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制。同時系統(tǒng)將速度傳感器、視頻重量監(jiān)測信息、各項(xiàng)保護(hù)傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，提高皮帶機(jī)系統(tǒng)的控制靈活性。

3 基于視頻監(jiān)測的煤量測量系統(tǒng)

該皮帶機(jī)節(jié)能控制的核心是根據(jù)煤量的情況靈活調(diào)整皮帶機(jī)的運(yùn)行帶速，因此對煤流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性直接決定了該系統(tǒng)的使用可靠性，傳統(tǒng)的依靠電子秤進(jìn)行稱重的方案[4]，受落料沖擊和皮帶機(jī)運(yùn)行影響大，精確性和時效性不足，難以滿足動態(tài)監(jiān)測需求，因此本文提出了一種基于視頻監(jiān)測的煤量測量系統(tǒng)，其測量模式如圖3 所示[5]。

圖3 基于視頻監(jiān)測的煤量測量系統(tǒng)

在該視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，其視頻采集單元主要是利用高清數(shù)字?jǐn)z像儀從煤礦井下獲取高清的視頻圖像，然后采用模式識別方案對視頻圖像進(jìn)行分割和處理，獲取單位時間內(nèi)皮帶機(jī)上的數(shù)據(jù)信息。為了保證對落料監(jiān)測的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)根據(jù)瞬時煤量、輸送帶的長度及落料點(diǎn)位置，對輸送帶上煤量的分布進(jìn)行修正，提高數(shù)據(jù)分析的可靠性，使監(jiān)測數(shù)據(jù)最大化的表示皮帶機(jī)上煤炭分布的實(shí)際情況。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，該視頻監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果和輸送帶上的實(shí)際煤量分布偏差約為1.2%，滿足對皮帶機(jī)帶速調(diào)整的監(jiān)測需求。

4 變頻驅(qū)動控制

傳統(tǒng)的皮帶機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)只能以定轉(zhuǎn)速的形式運(yùn)行，因此在該系統(tǒng)中采用了永磁同步電機(jī)[6]作為皮帶機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)，其能夠直接輸出相應(yīng)的幅值、頻率，減少了傳統(tǒng)控制模式中的液力耦合器、減速器等，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的控制靈活性和穩(wěn)定性，皮帶機(jī)變頻驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)如圖4 所示[7]。

由圖4 可知，該控制系統(tǒng)采用了變頻器直接驅(qū)動電機(jī)的控制模式，有效的降低了驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少了故障發(fā)生的概率。

圖4 皮帶機(jī)變頻驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)示意圖

目前該基于變頻調(diào)速的皮帶機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)已經(jīng)在多個煤礦投入應(yīng)用，根據(jù)對優(yōu)化前后的情況進(jìn)行對比，優(yōu)化后皮帶機(jī)的平均運(yùn)行帶速由4.7 m/s 降低到了目前的3.6 m/s，帶速降低了23.4%。在運(yùn)行過程中的能耗比優(yōu)化前平均降低了11.6%，顯著提升了皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

5 結(jié)論

針對皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中能耗高、磨損大、壽命低的不足，提出了一種基于變頻調(diào)速的皮帶機(jī)節(jié)能控制技術(shù)，以視頻監(jiān)控和變頻控制為核心，通過建立煤量-帶速最佳匹配模型，實(shí)現(xiàn)了對輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行帶速的智能調(diào)整，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）皮帶機(jī)節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，包括上位機(jī)系統(tǒng)，井下數(shù)據(jù)控制中心及變頻控制系統(tǒng)三個部分；

2）視頻監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果和輸送帶上的實(shí)際煤量分布偏差約為1.2%，滿足對皮帶機(jī)帶速調(diào)整的監(jiān)測需求；

3）以永磁同步電機(jī)作為皮帶機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)，減少了傳統(tǒng)控制模式中的液力偶合器、減速器，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的控制靈活性和穩(wěn)定性；

4）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⑵C(jī)運(yùn)行平均帶速降低23.4%，將運(yùn)行能耗降低11.6%，對提升皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有十分重要的意義。