帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用

高 斌

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司準(zhǔn)備隊(duì)，山西 壽陽 045400）

0 引言

帶式輸送機(jī)是依靠驅(qū)動(dòng)滾筒帶動(dòng)輸送帶進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行的一種物料運(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)行穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)性好、物料運(yùn)輸方便的特性，被廣泛應(yīng)用在煤礦物料運(yùn)輸上。目前多數(shù)輸送機(jī)系統(tǒng)主要采用了恒定帶速運(yùn)行模式，輸送機(jī)在運(yùn)行過程中帶速和煤量沒有匹配關(guān)系，導(dǎo)致輸送機(jī)在多數(shù)情況下均為輕載運(yùn)行，不僅導(dǎo)致了電能的浪費(fèi)，而且加劇了輸送機(jī)零部件的磨損，極大地影響了輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1 智能調(diào)速控制系統(tǒng)要求及結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)的目的是根據(jù)煤流量的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)帶速的靈活調(diào)整，達(dá)到減少能耗、降低輸送帶磨損的目的。為了滿足運(yùn)行控制和日常運(yùn)行維護(hù)的需求，要求該智能調(diào)控系統(tǒng)滿足以下設(shè)計(jì)目標(biāo)[1]：系統(tǒng)能正常運(yùn)行的核心是對(duì)煤流量變化情況的及時(shí)監(jiān)測(cè)，因此系統(tǒng)需具備對(duì)煤流量變化情況進(jìn)行不間斷精確監(jiān)控的能力；系統(tǒng)能夠進(jìn)行自檢并對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，出現(xiàn)異常后能夠快速進(jìn)行故障原因分析、故障位置定位、故障狀態(tài)報(bào)警，便于維護(hù)人員對(duì)故障進(jìn)行快速排除；輸送機(jī)在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)跑偏、過載、打滑、堆煤等問題時(shí)，能夠快速啟動(dòng)故障保護(hù)，避免出現(xiàn)安全事故；具備人機(jī)交互功能，在上位機(jī)監(jiān)控界面能夠清晰地顯示出輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控人員能夠通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的快速、精確調(diào)整。

結(jié)合帶式輸送機(jī)調(diào)控的工作需求，文章提出了一種新的帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)，其采用了基于PLC 控制核心的電容雙冗余技術(shù)，控制穩(wěn)定性好，可靠性高，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該控制系統(tǒng)中，通過煤量監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)輸送機(jī)上的煤量情況進(jìn)行監(jiān)控，通過帶速、溫度、轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行的速度及周邊環(huán)境溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)獲取到煤量信息后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的煤量-帶速對(duì)應(yīng)關(guān)系表，輸出輸送機(jī)的最佳運(yùn)行帶速，然后再結(jié)合目前的帶速情況，發(fā)出調(diào)整信號(hào)給變頻器，由變頻器控制輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行帶速的靈活調(diào)整。

該系統(tǒng)采用了3 臺(tái)配電柜，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器運(yùn)行的一對(duì)一專項(xiàng)控制[3]，利用工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸量大、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 控制器和上位機(jī)系統(tǒng)的連接，滿足數(shù)據(jù)高速通信的需求。利用PROFIBUS 數(shù)據(jù)通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)PLC 控制器和變頻控制模塊之間的數(shù)據(jù)通信，確保對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的靈活性和可靠性。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，對(duì)智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠性的要求高，而且為了滿足節(jié)能控制的需求，要求各個(gè)硬件結(jié)構(gòu)具有較低的能耗[4]，因此在對(duì)輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)選型時(shí)，在保證運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，需要選擇靈敏度高、能耗低的零件，而且在硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)化控制方式，通過模塊化設(shè)計(jì)和集中控制方式，來滿足可靠、節(jié)能的運(yùn)行需求，該控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示[5]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，作為該硬件系統(tǒng)的核心，PLC 控制器采用了西門子6ES71 型[6]，系統(tǒng)在工作過程中PLC控制器接收來自電子秤的數(shù)據(jù)信息，對(duì)輸送帶上的煤量進(jìn)行分析，同時(shí)接收來自速度傳感器的數(shù)據(jù)信息，對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行帶速進(jìn)行判斷，確定速度調(diào)整數(shù)據(jù)后將其傳輸給變頻器，控制輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤流-帶速的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在保護(hù)傳感器監(jiān)測(cè)模塊中，設(shè)置了堆煤、撕裂、煙霧等傳感器[7]，用于對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，及時(shí)進(jìn)行功能性保護(hù)動(dòng)作，提高輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

3 煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤流量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性直接決定了該輸送機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，要求煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工作過程中不能影響輸送機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)煤工作，而且對(duì)煤流量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性高、波動(dòng)量小，本文所提出的煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示[8]。

圖3 煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于煤流量監(jiān)測(cè)所用的電子秤需要具有較高的可靠性和監(jiān)測(cè)精確性，選擇了ICS-XB 型皮帶秤[9]，該系統(tǒng)包括工控機(jī)、避雷器、本質(zhì)安全箱等。

當(dāng)輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，裝有煤的輸送帶從傳感器上通過后，皮帶秤將數(shù)據(jù)信息傳遞給控制分站，由各分站對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定對(duì)應(yīng)輸送帶上的煤量分布情況，然后將煤量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 控制器中，為帶式輸送機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)的靈活調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況分析

以煤礦井下SSJ650/2×22 型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，輸送機(jī)長度為4.4 km，輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均帶速為3.9 m/s，在運(yùn)行過程中采用了恒速運(yùn)行模式，但由于井下綜采速度的變化，導(dǎo)致輸送機(jī)經(jīng)常處于空載運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行耗電量高、輸送機(jī)的磨損大。2021 年煤礦啟動(dòng)輸送機(jī)控制系統(tǒng)的技改工作，對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制改造，通過煤量-帶速匹配運(yùn)行控制模式，實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)系統(tǒng)根據(jù)煤量情況自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)輸帶速。

改造后的輸送機(jī)控制系統(tǒng)包括節(jié)能模式和恒速模式兩種，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行靈活調(diào)整。該智能控制系統(tǒng)投入工作后，輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均帶速由3.9 m/s 降低到了目前的3.01 m/s，帶速降低了22.8%，年節(jié)約電能約108 萬kWh，按0.7 元/kWh 計(jì)算，年節(jié)約成本75.6 萬元，帶速的降低意味著對(duì)輸送機(jī)各零部件運(yùn)行時(shí)的磨損降低，年節(jié)約配件更換費(fèi)用約11.4 萬元，極大地提升了煤礦上輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

為了解決輸送機(jī)系統(tǒng)以恒定速度運(yùn)行存在的能耗高、磨損大、經(jīng)濟(jì)性差的不足，提出了一種新的帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)，對(duì)該輸送機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、煤量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）輸送機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)需要滿足煤量精確監(jiān)控、運(yùn)行故障檢測(cè)、輸送機(jī)運(yùn)行保護(hù)及人機(jī)交互四個(gè)部分的運(yùn)行需求。

2）為了滿足節(jié)能控制的需求，各個(gè)硬件在保證運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上需要滿足高靈敏性和低能耗的要求。

3）ICS-XB 型皮帶秤煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工作過程中不會(huì)影響輸送機(jī)系統(tǒng)的正常工作，具有靈敏度高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。

4）該輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)能夠?qū)⑤斔蜋C(jī)運(yùn)行時(shí)的平均帶速降低22.8%，年節(jié)約電能成本75.6 萬元，年節(jié)約配件更換費(fèi)用約11.4 萬元。