带式输送设备节能控制系统设计与应用

黄 伟

(山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 0471001)

0 引 言

煤矿企业中带式输送设备是电能消耗极大的一种设备。相关数据统计高能耗带式输送设备的运行效率不足60%，和国外先进水平存在非常大的差距。另外，带式输送设备控制主要是较为简单及粗放型的控制方式，采用开环方式完成控制操作，在运输煤炭数量相对少或者空载情况下，带式输送设备依旧以高速率运行，使得电能被大量浪费，生产成本增加。因此，通过研究应用带式输送设备节能控制系统，降低设备能耗，为企业创造更多的经济效益，同时也可有效的减少电力资源消耗数量，促进企业和生态环境和谐发展。

1 带式输送设备控制系统问题

梨园河煤矿主井运输带式输送设备共设置有两台，目前控制系统为TKD控制系统，此控制系统中逻辑控制由电磁装置构成，速率检测是利用直流测速发电机装置进行测速，目前梨园河煤矿主井运输带式输送设备控制系统存在以下方面问题：

(1) 故障检测可靠性较差。目前梨园河煤矿主井运输带式输送设备采用TKD控制系统，因自身元器件装置特性，电控系统无法有效确保稳定可靠运行。要确保电器控制系统安全运行，基本上全部系统应当设置相应的电子装置，达到后备保护目的。在安全回路发生动作过程中，很多均属于瞬时动作，一旦发生故障不易有效排除[1]。

(2) 无法有效控制电机速率。目前对带式输送设备中实际运输煤量无法实时监测，因此无法根据煤量变化实时调节带式输送设备运行速率，煤量和带速无法有效匹配，整个控制系统自动化程度较低，导致电能大量浪费。

2 节能控制系统核心装置介绍

2.1 可编程控制装置

在带式输送设备节能控制系统应用中，最主要的是可编程控制装置，该装置是利用微型机芯片，依照具体生产流程及要求不断改进与完善的控制装置。可编程控制装置具备非常优良的抗干扰性能，在工业生产中适用性强，发生故障时，可以实现掉电保护以及故障智能诊断等，同时，带式输送设备中节能控制系统是利用功能化模块结构构建，具体应用依照不同要求，对控制系统加以重新组合或扩充。可编程控制装置有独立编程器元件，整个编程过程简单，便于学习掌握，成本较低。现阶段，我国研发的智能模块PLC控制装置，能实现顺序控制与过程控制相互融合，确保对整个生产流程全面控制。功能进一步优化的PLC装置，已经广泛的被应用到工业自动化控制系统之中。

2.2 核子秤装置

核子秤主要应用在物料传输环节计量中，通过非接触式方式进行物料计量。核子秤内部结构相对复杂，包含有放射源部件、电离部件、电源部件以及下位机装置等多个机构。核子秤放射源部件发射的γ 射线，穿过输送设备运输的物料时，其中部分射线被物料吸收，根据射线吸收情况，计算得到物料质量。另外，核子秤能对不同时段内射线开展实时监测，将其和空载下射线的强度对比，同时还能测量输送设备中皮带运行速率，借助计算机设备，可以分析输送设备的单位载荷、瞬时流量以及累计量数据等信息。核子秤在称量过程中采用的是非接触式称量方式，因此，称量过程不受温度、物料腐蚀性、输送设备倾角值及皮带张力等外在因素干扰，同时也不受测量物料自身物力性质影响，能实现动态、精准测量，运行性能稳定，可靠度高，能被应用在一些粉尘浓度高、露天环境等相对恶劣的条件下[2]。

3 节能控制系统设计方案

3.1 节能控制系统硬件设计

带式输送设备节能控制系统设计由3台不同的皮带秤组成，其中1号皮带秤设置在顺槽输送设备中，2号皮带秤设置于西翼运输设备中，3号皮带秤设置于主井运输设备中。核子秤把所测量到的物料流量数据信息，传输于所在皮带设备对应的PLC分站中，利用光纤把监测数据传输到PLC主站中，CPU装置依照结合检测数据对比分析数据库数据，输出4～20 mA调节信号，并将该信号输送至输送设备变频器装置中，以完成对皮带输送设备电机转速的调控。

带式输送设备节能控制系统的机电控制是关键，其对于皮带输送设备的实际运行效率及安全性均有极大影响。结合梨园河煤矿皮带输送系统的现实情况，针对煤矿开采中不均衡问题，研讨了皮带输送设备煤量、皮带速率及皮带输送设备能耗间所存在的关联性，利用机电控制技术构建了节能、高效的皮带输送设备机电控制系统，系统核心部件为PLC部件，型号为Logix1756型，机电控制系统框架结构示意图如图1所示。该机电控制系统含有上位机装置、PLC装置、变频装置、信号测试装置、信息通信装置等。

图1 带式输送机设备机电控制系统结构示意图

(1) 上位机装置。上位机是整个机电控制系统的监控设备，该设备采用型号为610 H型工业计算机，上位机中组态界面使用的是Forcecontrol sp 6.3软件，以实现实时监控并显示皮带输送机运行状况。

(2) PLC装置。PLC装置是机电控制系统最为关键装置，该装置主要收集皮带输送设备运行信号，并实现控制信息的输出功能。此次机电控制系统使用型号为Logix1756型PLC装置，通过双CPU冗余设计方式，确保系统运行更安全与稳定。PLC装置及冗余系统现场实物图如图2所示。

图2 PLC装置及冗余系统现场实物图

(3) 变频装置。变频装置型号为TMdrive-MV型，该变频装置属于高-高形式的变频装置，该装置拥有单元过电压、过电流、缺相、变频器过载、输出短路保护以及对变压器保护等多种功能，能够更好的确保皮带输送设备变频安全运行。

(4) 运行保护装置。皮带输送设备保护装置型号为KTC101型的保护装置，能实现对皮带输送设备的跑偏保护、撕裂保护、打滑保护以堆煤保护等多种保护功能，可有效避免皮带输送机发生损坏。

(5) 监测装置。监测装置是对皮带输送设备运行过程中电压信号、电流信号以及温度信息等进行监测。

(6) 通信装置。通信设备确保机电控制系统通信的畅通，可以实现遥测、遥信以及遥控等功能。

3.2 节能控制系统软件设计

带式输送设备节能控制系统程序设计由启动子程序系统、功率子程序系统及智能节能子程序系统组成。其中启动子程序系统的功能主要有开车预警功能、减速器油泵装置启动功能、风扇装置启动功能以及电机软启动功能。功率子程序系统的功能主要是对变频器装置功率控制、电机转矩平衡控制，为带式输送设备的安全与稳定运行提供保障。智能节能子程序系统的功能主要有带式输送设备上煤量监测功能、带速调节功能，为带式输送设备实现优良的节能效果提供可靠保障[3]。其中功率子程序系统流程如图3所示。

图3 功率子程序系统流程

4 节能控制系统实际应用效果

4.1 电气节能效果

未进行改造之前，皮带输送设备实际运行过程中按照特定速率运行，设备运行消耗功率为定值，是额定功率的60%，每台皮带输送设备额定功率为1 400 kW，每天运行时间按照18 h计算，每年运行天数按照300 d计算，3台皮带输送设备每年总的电能消耗则为：W=3×1400×300×18×0.6=13 608 000 kWh。

改造后，皮带输送设备运行速度和运量之间存在一定匹配关系，依照平均运量进行计算，皮带运输设备平均运输速率为2.5 m/s，此时电动机功率值为1 050 kW。所以，机电控制系统进行改造后，三台皮带输送设备总电能消耗为：

W1=1 050×300×18 =5 670 000(kWh)

应用了机电控制技术之后，平均每年电能消耗比之前减少了：

ΔW=W-W1=13 608 000-5 670 000

=7 938 000(Wh)

计算得出采用机电控制系统后节电率：

η=7938000/13608000=58%

因此采用机电控制技术取得了显著的节电效果。

4.2 机械损耗节能效果

皮带输送设备运行消耗除电能外，还有机械磨损，皮带输送设备运行过程中轴承、滚筒以及托辊部件等与皮带会有一定摩擦，若是皮带运行速率增加，则上述各个部件之间机械损耗也相应增加。若是皮带的速率减少，各个部件之间机械磨损便会减弱，即随着带速不断减少，皮带输送设备机械磨损同样减弱。采用节能控制系统后，确保了皮带输送设备可根据不同负载情况实时调整带速，使皮带输送设备平均带速得以显著降低，确保了皮带输送设备机械损耗明显改善。

5 结 语

此次优化设计结合了带式输送设备节能控制技术的具体应用，探讨了带式输送设备中节能控制系统应用的效果，达到了带式输送设备节能控制系统在煤矿开采中发挥重要作用的目的，应用带式输送设备节能控制系统代替单纯机械机构是煤矿企业节能发展的重要趋势，只有不断努力创新改革，尽快实现我国煤矿机械设备节能控制自动化和智能化，才能保障我国煤炭矿业迈上快速发展的新台阶。