带式输送机节能控制系统的设计及应用

赵云龙

（阳煤寺家庄有限责任公司， 山西 晋中 030600）

引言

采煤机、刮板输送机、带式输送机以及液压支架、液压泵站等作为综采工作面的大型机电设备，其运行稳定性、可靠性直接决定综采工作面煤炭的开采效率，各个设备的节能效果将从根本上降低整个煤矿的耗能。带式输送机作为工作面的运输设备，其主要承担物料、设备的运输任务[1]。在实际生产中，传统带式输送机采用开环控制方式，导致其无法根据输送带上的负载及时调整其带速，尤其在输送带空载时设备仍以高速运转，从而造成大量电能的浪费。因此，急需设计一款节能控制系统，为降低煤矿企业的生产成本提供基础。

1 带式输送机结构

带式输送机结构组成如图1 所示。

图1 带式输送机结构示意图

如图1 所示，带式输送机主要由驱动滚筒、上托辊、下托辊、中间架、张紧装置、改向滚筒等组成[2]。带式输送机通过驱动装置提供驱动滚筒与输送带之间的摩擦力，从而实现带式输送机的连续运行。

目前，应用于带式输送机输送带的主要类型为橡胶带和塑料带。

带式输送机的托辊主要包括有缓冲托辊、调心托辊、平形托辊以及槽形托辊。其中，缓冲托辊的主要作用是减小物料对输送带的冲击力；调心托辊的主要是当输送带跑偏时对其进行纠偏操作；槽形托辊主要用于运输散粒物料。

根据滚筒的安装位置分为驱动滚筒和改向滚筒。张紧装置的主要作用是根据实际工况为输送带提供一定的张紧力，避免带式输送机出现打滑的事故[3]。

2 带式输送机节能控制的理论基础

经研究可知，带式输送机运量和带速是影响输送机功率的主要因素。在实际生产中带输送机带速并不能够根据其实时运量进行调节已达到最节能的效果。为此，设计如式（1）所示的节能策略。

式中：Q为带式输送机的运量；v为带式输送机的运行速度；qm为煤炭的线密度。

在实际情况中带式输送机不可能频繁启停，因此设定当其运量为0 时，带式输送机以最小的速度运行。可得出如图2 所示的运量与运速之间的关系曲线。

图2 带式输送机运量与运速的关系曲线

综上所述，基于上述运速与运量相匹配的思想设计带式输送机的节能控制系统，不仅能够提升带式输送机输送效率，还能够降低带式输送机的能耗。

3 带式输送机节能控制系统的设计

基于带式输送机运速与运量相匹配的设计思路，采用变频技术实现带式输送机运速随着其运量及工况实时调节的目的。为进一步提升节能控制系统的可靠性，本系统采用冗余设计技术，即采用工控机实时监控和PLC 控制相结合的控制方式，实现带式输送机的变频节能控制，可满足实际生产中的紧急停车、故障保护以及智能监控等功能[4]。本节着重对带式输送机节能控制系统的硬件和软件设计。

3.1 硬件设计

3.1.1 PLC 控制柜的设计

该节能控制系统所采用的核心控制器PLC 的厂家型号为AB 公司的ConrtrolLogix5000 系列PLC。为提升节能控制系统的可靠性，PLC 控制器采用双CPU 冗余系统。其中，一台CPU 主要对所有设备的启停进行控制；另一台CPU 的主要功能是对带式输送机的运行状态进行监视，一旦发现现场生产中有事故发生立即实现功能切换，确保整个节能控制系统的正常运行[5]。PLC 控制柜内的双冗余系统现场图如图3 所示。

3.1.2 输送带保护装置的选型设计

输送带保护装置可避免带输送机出现故障后对设备造成更深的损害。该系统所选用的输送带保护装置为天津华宁KTC010 保护装置，该保护装置能够实现对带式输送机的跑偏保护、打滑保护、堆煤保护以及撕裂保护。KTC010 保护装置能够实现与上位机监控系统的实时通信，实现数据的实时共享。

3.1.3 变频驱动系统的设计

关于变频驱动系统的硬件设计核心为对变频器的选型。变频器选型时需综合考虑带式输送机电气控制系统中三相异步电动机的额定功率和要求带式输送机遇到载荷突变的工况时能够实现低频转矩提升的能力。

在调研市场并在结合以往设计经验的基础上，选择西门子公司的5HK62-5B 为该节能控制系统的变频器。

3.2 软件设计

带输送机节能控制系统的软件设计是根据节能控制系统的控制思路基于 AB 公司的ConrtrolLogix5000 系列的编程软件完成该系统的软件编写。

目前，应用于工业生产中控制算法包括有PID控制算法、模糊控制算法以及自适应控制算法等。其中，PID 控制算法主要应用于线性控制系统；模糊控制算法主要应用非线性控制算法。因此，本节能控制系统采用模糊控制算法。带式输送机节能控制系统的模糊控制原理如图4 所示。

如图4 所示，节能控制系统对输送带的运速进行实时监视，并将监视所得结果通过模糊控制器传入PLC 控制器中，根据PLC 控制器中所存储的模糊控制算法对比当前的带速是否与实时载荷相匹配。若带速与运量不匹配，系统立即控制变频器完成对带式输送机电机的频率的控制，从而实现了对带速的调整。

4 带式输送机节能控制系统的应用

将所设计的节能控制系统应用于寺家庄煤矿工作面带式输送机的控制中。该煤矿的主要参数如下：

煤矿年产量M为5 Mt；带式输送机的正常运行速度为4.5 m/s；带输送机电机的额定电压为6 kV，额定功率为1 400 kW，电机的数量为3 台。该煤矿的生产制度为：每年生产工作日天数为300 d，每天生产时长t为18 h。

4.1 改造前耗电量

W1=3 台×1400kW/台×18h/d×300d=22680000 kWh。

4.2 改造后耗电量

根据模糊控制算法，当带式输送机的运量为926 t/h 时，其对应的最佳带速为2.13 m/s。则，此时对应的带式输送机的工作功率为1 400×2.13/4.5=663 kW。则，节能控制系统应用后的耗电量为：W2=3台×663 kW/台×18 h/d×300 d=10 740 600 kWh。

经计算，每年可节约电能W=W1-W2=11 939 400 kWh，节能效率可达52.64%。

5 结语

带式输送机作为综采工作面的关键运输设备，由于传统控制系统的局限性无法实现带速与运量相匹配的控制，造成了工作面电能极大的浪费。将模糊控制算法、变频控制技术以及PLC 控制器等有机结合设计出一款节能控制系统，并将该系统应用实际生产中达到52.64%的节能效果。