東坡煤礦DSJ-140/220/400 型帶式輸送機(jī)智能節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張 華

（中煤資源發(fā)展集團(tuán)有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

1 概況

東坡煤礦位于朔城區(qū)劉家口村東，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力210 萬t/a，井田面積約為8.32 km2。9#層915 綜放工作面煤層厚度平均16.6 m，煤層厚度較穩(wěn)定，煤層含夾矸4～5 層，夾矸厚度0.1～1.5 m。工作面走向長度1119 m，傾斜長度130 m，傾角2°～6°。工作面揭露5 條正斷層、1 條逆斷層，落差3～10 m。膠運(yùn)順槽沿煤層底板布置，設(shè)置DSJ140/220/2×400型帶式輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的選配考慮了足夠裕量?？紤]到帶式輸送機(jī)滿載運(yùn)行情況很少發(fā)生，故采用變頻器控制進(jìn)行節(jié)能減耗[1]。但當(dāng)前變頻控制系統(tǒng)在啟動(dòng)后只能輸出恒定頻率值40 Hz 驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)電機(jī)，無法根據(jù)運(yùn)輸煤量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，導(dǎo)致該變頻器啟動(dòng)系統(tǒng)與軟啟動(dòng)系統(tǒng)功能無異[2]，尤其是在帶式輸送機(jī)輕載和空載時(shí)，節(jié)能減耗效果非常不理想?；诋?dāng)前變頻控制系統(tǒng)基礎(chǔ)配置進(jìn)行智能變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到根據(jù)運(yùn)輸煤量自動(dòng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)運(yùn)輸速度的效果。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與原理

針對當(dāng)前DSJ140/220/2×400 型帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，需要對運(yùn)行狀態(tài)下的帶式輸送機(jī)皮帶速度、運(yùn)輸煤量以及耗電量等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，作為控制系統(tǒng)邏輯控制程序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別由功能傳感器和檢測儀表獲取[3-4]。選擇速度傳感器采集皮帶運(yùn)行速度數(shù)據(jù)、采用電子皮帶秤獲取運(yùn)輸煤量數(shù)據(jù)、利用功率采集模塊監(jiān)測設(shè)備能耗[5]，監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出至PLC 控制器，經(jīng)邏輯判斷輸出變頻器控制指令，動(dòng)態(tài)調(diào)整帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)如圖1。帶式輸送機(jī)動(dòng)力由兩臺(tái)異步電機(jī)提供，原控制系統(tǒng)變頻器為西門子6ES71 型，由兩臺(tái)1140 V 輸出電壓配電柜供電，PLC 控制器通過PROFIBUS 通信協(xié)議控制變頻器輸出電壓和頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制[6]，整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至井上控制室上位機(jī)。上位機(jī)兼具控制系統(tǒng)指令輸入與系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能，上位機(jī)組態(tài)界面能夠?qū)崟r(shí)顯示皮帶運(yùn)行速度、運(yùn)輸煤量以及各狀態(tài)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)等，且具有歷史數(shù)據(jù)查詢與報(bào)警功能。

圖1 智能節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

1）PLC 控制器選型

通過對系統(tǒng)數(shù)字量和模擬量輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)，主控器、電源模塊、數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊以及通信模塊的選型見圖2。

圖2 PLC 控制器及相關(guān)模塊連接及I/O 地址分配示意圖

2）煤量、速度監(jiān)測

煤量監(jiān)測采用ICS-ST 礦用電子皮帶秤，通過本安稱重傳感器完成質(zhì)量信息采集。該型電子皮帶秤最大量程10 000 t/h，動(dòng)態(tài)監(jiān)測誤差不超過0.9%，精度達(dá)標(biāo)，安裝于機(jī)尾附近，與井下數(shù)顯分機(jī)直接通信。數(shù)顯分機(jī)通過485通信與PLC控制器數(shù)據(jù)交互。

GSH5 型礦用速度傳感器固定于滾筒支架上，滾筒圓周上裝設(shè)永磁片，利用霍爾原理可使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)速度傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。通過在程序中設(shè)置磁感線切割參數(shù)，結(jié)合脈沖周期即可計(jì)算帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度。

3）PLC 模糊控制器

PLC 模糊控制器接收電子秤采集的煤量信息數(shù)據(jù)，通過程序控制得出對應(yīng)速度值，原理如圖3。在帶式輸送機(jī)皮帶運(yùn)行速度為v時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測到煤量為Q，程序設(shè)定該煤量區(qū)間對應(yīng)運(yùn)行速度應(yīng)為v1。PLC 控制器以煤量監(jiān)測信號(hào)為輸入信號(hào)，經(jīng)邏輯判斷得出速度偏差e和偏差變化率ec，PLC 模糊控制器對該指標(biāo)運(yùn)算處理后輸出控制變頻器的頻率信號(hào)f，變頻器接收到控制信號(hào)后執(zhí)行動(dòng)作，宏觀表現(xiàn)為變頻器控制帶式輸送機(jī)電機(jī)電壓信號(hào)和頻率信號(hào)調(diào)整，控制皮帶運(yùn)行速度為v1。

圖3 帶式輸送機(jī)模糊控制系統(tǒng)原理圖

PLC 模糊控制器設(shè)計(jì)中變頻器頻率設(shè)定信號(hào)f與速度偏差值e和偏差變化率ec的對應(yīng)關(guān)系是功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。為了保證PLC 控制器在系統(tǒng)作業(yè)過程中控制調(diào)節(jié)功能的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，將對應(yīng)關(guān)系模糊查詢表存儲(chǔ)在PLC 存儲(chǔ)器中，實(shí)時(shí)計(jì)算控制對象的e值和ec值，通過與模糊查詢表上下限值對比，得到輸出量化值，經(jīng)過系數(shù)處理后輸出控制頻率信號(hào)f。模糊控制流程如圖4。

圖4 模糊控制流程圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

1）調(diào)速程序

帶式輸送機(jī)煤炭運(yùn)輸量會(huì)隨著綜采作業(yè)實(shí)時(shí)變化，如果基于運(yùn)輸煤量的調(diào)速系統(tǒng)過于靈敏會(huì)頻繁調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，對設(shè)備壽命和能耗降低均不利，但靈敏度太低，則起不到降耗作用，因此調(diào)速程序的設(shè)定非常關(guān)鍵。設(shè)計(jì)遵循兩個(gè)基本原則：① 運(yùn)輸煤量正常范圍內(nèi)的波動(dòng)不會(huì)影響到皮帶運(yùn)行速度；②自動(dòng)屏蔽煤量擾動(dòng)。為降低煤量波動(dòng)影響，采用區(qū)間煤量對應(yīng)特定控制速度方法，將煤量按照區(qū)間劃分，每一個(gè)設(shè)定速度對應(yīng)一定范圍的運(yùn)輸煤量；在一定時(shí)間段內(nèi)，如果煤量變化超出某一區(qū)間值，為防止煤量擾動(dòng)導(dǎo)致的系統(tǒng)調(diào)速，設(shè)計(jì)了判定規(guī)則：如果監(jiān)測到煤量超過設(shè)定區(qū)間的變化保持5 s以上（包括5 s），則系統(tǒng)判定為煤量變化有效，執(zhí)行調(diào)速控制程序；反之，則認(rèn)為是煤量擾動(dòng)信號(hào)，仍維持當(dāng)前運(yùn)行速度，不做調(diào)速控制?？紤]到安全作業(yè)，在調(diào)速程序中設(shè)定了超量運(yùn)輸報(bào)警并停車的控制邏輯。調(diào)速控制流程如圖5。

圖5 帶式輸送機(jī)調(diào)速流程圖

2）上位機(jī)可視界面

上位機(jī)界面利用WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，主界面顯示劃分為三個(gè)區(qū)域：帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)區(qū)、配電柜狀態(tài)區(qū)以及電動(dòng)機(jī)狀態(tài)區(qū)，分別顯示帶式輸送機(jī)煤量、皮帶速度和系統(tǒng)功率；配電柜電量和各相電壓電流值；電機(jī)控制頻率、溫度和電壓電流值。數(shù)據(jù)查詢采用趨勢曲線展示，操作者可以自行選擇“在線數(shù)據(jù)查詢”或“歷史數(shù)據(jù)查詢”。

4 應(yīng)用效果分析

2022 年9 月完成DSJ140/220/2×400 型帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)改造，投入運(yùn)行的節(jié)能控制系統(tǒng)有節(jié)能運(yùn)行與恒速運(yùn)行兩種模式，為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的實(shí)際效果，分別對系統(tǒng)監(jiān)測功能和能耗進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)監(jiān)測功能

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主監(jiān)控界面，節(jié)能模式下觀察上位機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，狀態(tài)監(jiān)測值的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性完全滿足作業(yè)需求。基于節(jié)能考慮，系統(tǒng)設(shè)定運(yùn)輸煤量在0～450 t/h 時(shí)，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度不變均為1.82 m/s，但功率隨煤量增加變大；在煤量超過450 t/h 時(shí)，皮帶運(yùn)行速度和功率均隨煤量增大而增大。在節(jié)能模式下調(diào)節(jié)運(yùn)輸煤量為275 t/h 時(shí)，帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度為1.82 m/s，功率為593.09 kW，增大煤量為400 t/h，皮帶運(yùn)行速度仍為1.82 m/s，但功率為795.81 kW；煤量為826 t/h 時(shí)，帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度為3.41 m/s，功率1511.3 kW，煤量增加至1025 t/h 時(shí)，系統(tǒng)延遲5 s 后調(diào)整皮帶運(yùn)行速度為4.07 m/s，功率1 812.19 kW，由此實(shí)際調(diào)試可以看出，系統(tǒng)的調(diào)速功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.2 節(jié)能效果分析

節(jié)能效果分析通過恒速模式和節(jié)能模式下對比一周運(yùn)輸基本相同煤量的消耗電量，恒速模式的運(yùn)輸速度為4.03 m/s。經(jīng)統(tǒng)計(jì)恒速模式下平均運(yùn)輸1萬t 煤炭需要消耗24 627.85 kW·h 電能，而節(jié)能模式下運(yùn)輸1 萬t 煤炭消耗20 136.91 kW·h 電能，節(jié)約電能約為18.3%，效果顯著。

5 結(jié)語

針對東坡煤礦井下順槽DSJ140/220/2×400 型帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)恒速控制運(yùn)行，節(jié)能減耗效果不理想的問題，基于當(dāng)前變頻控制系統(tǒng)基礎(chǔ)配置進(jìn)行智能變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成以下結(jié)論：

1）節(jié)能控制系統(tǒng)總體架構(gòu)包括PLC 控制器、變頻器控制系統(tǒng)、速度、煤量、功率監(jiān)測系統(tǒng)以及上位機(jī)狀態(tài)顯示系統(tǒng)；

2）通過模型模擬帶式輸送機(jī)在不同煤流量下系統(tǒng)功率最小時(shí)對應(yīng)的速度最優(yōu)解，采用運(yùn)輸煤量在0～450 t/h 時(shí)，1.82 m/s 恒速運(yùn)行，但功率隨煤量增加變大；煤量超過450 t/h，運(yùn)行速度和功率均隨煤量增大而增大的控制邏輯；

3）對改造完成的節(jié)能控制系統(tǒng)的監(jiān)測功能和節(jié)能效果進(jìn)行應(yīng)用分析，系統(tǒng)的控制、監(jiān)視功能有效，能耗節(jié)約18.3%，效果明顯。