煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能方案的探討

王明星

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司官地選煤廠， 山西 太原 030022）

引言

受所處環(huán)境及運(yùn)輸物料性狀等因素影響，煤礦帶式輸送機(jī)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損情況，并損耗大量電能，因此應(yīng)用一種可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)高效、安全、節(jié)能的技術(shù)系統(tǒng)已成為煤礦生產(chǎn)企業(yè)亟需解決的問題?？删幊炭刂破魇菍楣I(yè)生產(chǎn)而開發(fā)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，其具有使用簡(jiǎn)便、兼容性能好、支持多種通訊方式等優(yōu)點(diǎn)，是自動(dòng)操作系統(tǒng)的重要組成部分。因此，設(shè)計(jì)一種將可編程控制器應(yīng)用于煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中的節(jié)能方案。

1 煤礦帶式輸送機(jī)自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)的組成

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)為煤礦帶式輸送機(jī)自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)的主要組成部分，具備系統(tǒng)邏輯化控制、數(shù)據(jù)采集與處理、信號(hào)輸出等多種功能。美國羅克韋爾公司制造的Logix1756 可編程控制器在構(gòu)建控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)用較為廣泛，具有穩(wěn)定性能極佳的特點(diǎn)。此控制器能夠?qū)崿F(xiàn)無擾動(dòng)切換，并且利用率較高。由于此控制器采用了模塊化的構(gòu)造，從而使其自身具有很強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力。系統(tǒng)采用了RSLogix5000 編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并配置了Contro1Logix® 系統(tǒng)。因系統(tǒng)需在較為惡劣的環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行，故采用了雙CPU 冗余技術(shù)，可保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及安全性[1]。

1.2 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由交流變頻器、控制器、三相交流異步電動(dòng)機(jī)組成，其中三相交流異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、效率高、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，因自身具備較強(qiáng)的機(jī)械牽引性能，使其獲得了廣闊的應(yīng)用前景。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用了東芝三菱株式會(huì)社生產(chǎn)的TMdrive-MV 高壓變頻器。此變頻器工作效率較高，并可應(yīng)用于不同的工作環(huán)境中，使用了Multi-LevelPWM 控制，極大保障了變頻器的正常運(yùn)行[2]。

1.3 運(yùn)輸機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

由于帶式輸送機(jī)在輸煤過程中有可能會(huì)發(fā)生各種不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)因素，為實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，故加入了保護(hù)系統(tǒng)。天津華寧生產(chǎn)的KTC101 保護(hù)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)膠帶機(jī)的保護(hù)，尤其在斷帶保護(hù)方面效果極佳。保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)了解到系統(tǒng)的運(yùn)行情況并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。因此在自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)中加入了監(jiān)控系統(tǒng)并設(shè)置了上位界面。在上位界面中主要設(shè)置了主控窗口、設(shè)備窗口、運(yùn)行策略、數(shù)據(jù)庫、安全系統(tǒng)等，一旦出現(xiàn)緊急情況，各子系統(tǒng)能夠?qū)收线M(jìn)行及時(shí)處理。

2 控制程序的設(shè)計(jì)

控制程序采用順序控制方式進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，使其能夠滿足運(yùn)輸需求，并將掃描周期設(shè)置為0.01 ms。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將控制方式設(shè)置為自動(dòng)及手動(dòng)兩種模式。在處于自動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可自主設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，如將變頻器高中低擋速率分別設(shè)置為50 Hz、30 Hz、10 Hz，并在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。在手動(dòng)模式下，可進(jìn)行單軸的手動(dòng)模式運(yùn)行，并設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)速率。如輸送機(jī)傳送帶出現(xiàn)故障，即可采取手動(dòng)模式進(jìn)行操作。出于操作便捷性的考慮，設(shè)置了兩種操作模式的一鍵切換功能，同時(shí)在控制程序中設(shè)置了緊急停止功能，可有效避免因意外情況導(dǎo)致的輸送機(jī)斷帶事故。

3 煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能控制分析

3.1 工作原理

運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能原理主要是提高系統(tǒng)的工作效率，并減少不必要的能源損耗。帶式輸送機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，及時(shí)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生改變，轉(zhuǎn)矩始終維持在固定值。轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

式中：Te為轉(zhuǎn)矩；pm是電動(dòng)機(jī)功率；w為阻力系數(shù)；n為轉(zhuǎn)速。

帶式輸送機(jī)作為主運(yùn)輸皮帶，在完成設(shè)備檢修后，系統(tǒng)即會(huì)啟動(dòng)。順槽皮帶啟動(dòng)在主運(yùn)輸皮帶啟動(dòng)之后，并且采煤設(shè)備為最后啟動(dòng)步驟，使得此系統(tǒng)主要出于空載運(yùn)行的狀態(tài)。另外由于受到煤礦生產(chǎn)條件的制約，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)采煤設(shè)備的損壞情況，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的空載時(shí)間，造成設(shè)備損耗較多，因此應(yīng)從此角度提升系統(tǒng)的節(jié)能效果。

3.2 節(jié)能控制

在進(jìn)行運(yùn)輸系統(tǒng)的節(jié)能分析前，應(yīng)首先明確運(yùn)輸系統(tǒng)能耗與各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系。通過對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)在不同工作條件下的測(cè)試，可見能耗因物料填充率的升高而增加，并與輸送帶帶速及物料質(zhì)量密切相關(guān)。可采用以下計(jì)算公式表示：

式中：qm為帶式輸送機(jī)在填充率為100%時(shí)物料的單位長度質(zhì)量；V為傳送帶運(yùn)行速度；Q為傳送帶流量。

在帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)最大運(yùn)量進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，但由于實(shí)際生產(chǎn)中無法達(dá)到系統(tǒng)的最大運(yùn)量，因此應(yīng)按照實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)帶速，可得到運(yùn)行功率Pr=空載消耗功率附加功率。式中：f為傳送帶的摩擦系數(shù)；H為物料實(shí)際提升的高度；Qm為煤流量；v為傳送帶運(yùn)行速度；L為傳送帶實(shí)際長度。從中可以看出，在其他數(shù)值固定的情況下，能耗率僅與帶速及煤流量相關(guān)。據(jù)此可知，只需控制好帶速及煤流量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制。

通過上述分析可知，在此系統(tǒng)中，要合理分布膠帶負(fù)載，并將輸送機(jī)帶速分為幾個(gè)等級(jí)，通過結(jié)合煤機(jī)速度、電機(jī)電流等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使輸送機(jī)能夠在不同工況時(shí)實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能目的。

3.3 控制改造方案

1）順煤流起車。順煤流起車在帶式輸送機(jī)將物料卸載后即可應(yīng)用，如發(fā)生故障導(dǎo)致停機(jī)及檢修期間，此操作控制系統(tǒng)中具有順煤流、逆煤流、手動(dòng)等方式，可依據(jù)具體情況選擇合適的啟動(dòng)方式。在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)先開啟帶式輸送機(jī)，待其啟動(dòng)完畢后，可按順序啟動(dòng)其他煤礦設(shè)備，如轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)，同時(shí)在煤流運(yùn)行至機(jī)器尾部的傳感器附近時(shí)，再啟動(dòng)下游的帶式輸送機(jī)[3]。

2）智能調(diào)速。帶式輸送機(jī)上的物料流量處于不斷的變化過程中，為降低煤量變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響，可依據(jù)煤流量的實(shí)際情況調(diào)整速度變化區(qū)間，并于各區(qū)間內(nèi)設(shè)置補(bǔ)償值，降低調(diào)速頻率，并采取逐步遞增或遞減的方式調(diào)節(jié)帶速，從而避免變頻器誤動(dòng)作及機(jī)械受到?jīng)_擊后產(chǎn)生振動(dòng)。在運(yùn)輸系統(tǒng)中開啟節(jié)能調(diào)速功能后，處于下游的帶式輸送機(jī)可通過上游傳感器檢測(cè)到的煤量自主調(diào)節(jié)輸送機(jī)帶速。

4 應(yīng)用效果

通過研究并制定出煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能方案，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)一線中，實(shí)際使用效果良好。通過考察并記錄方案實(shí)施前后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)改造后的節(jié)能效率取得了重大突破，運(yùn)煤成本實(shí)現(xiàn)了大幅降低。