选煤厂用皮带输送机节能方案研究

杨晓凡

（山西省阳泉市新景公司洗煤厂， 山西 阳泉 045000）

引言

皮带运输机是选煤厂的核心运输设备，具有运行平稳、便于集中自动化管理、运行环境要求不高的优点，广泛应用与选煤厂煤料的运输。由于皮带运输机是长时间运输设备，在运行中经常会出现空载、轻载的现象，造成电能浪费。为节约电能，优化皮带运输机运行速度，国内外学者对其节能方案展开研究，如利用粒子群算法建立皮带运输机煤料、带速的匹配关系，应用模糊控制技术建立可自动识别煤流量的节能控制系统[1]。如以PLC 控制技术为基础，实现皮带运输机多电机功率平衡，进而达到节能的效果[2]。如对皮带运输机的顺煤流、逆煤流的主从电动机启停模式进行研究，比较两种模式的耗电量[3]。以变频控制技术、PLC 控制技术为基础，采用双闭环PID调节方案，实现皮带运输带速与煤流量的实时匹配，达到节能降耗的目的。

1 皮带运输机节能方案设计

选煤厂用皮带运输机节能方案设计如图1 所示，PLC 控制器与变频调速系统协同完成皮带运输机的软启动以及无极带速调速。在皮带运输机机身安装有煤流量监测秤，用于实时监测皮带运输机的煤流；安装有带速监测传感器，用于实时监测皮带带速。PLC 控制器获取煤流量以及带速信号后，经逻辑控制运算以及PID 调节，实时控制皮带运输机带速，使其与煤流量匹配，避免轻载以及空载高速运行，以节约电能。皮带运输机的调速由变频调速系统完成，以电缆电流和带速反馈组成双闭环控制变频调速系统，通过调节运行频率，进而实现对皮带运输机的无极调速。

图1 节皮带运输机节能控制图

2 硬件设计

选煤厂用皮带运输机节能方案硬件设计图如图2 所示，PLC 控制器及其扩展模块选用西门子S7-400 系 列PLC，CPU 型 号 为CPU417-4，扩 展SM421 DI16、SM422 DO16、ET200M、SM431 以 及SM432 等数字量、模拟量输入输出以及IO 扩展模块，共同完成核心控制器功能[4]。PLC 控制器与变频器之间以Profibus-DP 模式完成数据通信功能，其通信速率可达12 Mbit/s。PLC 控制器通过以太网通信将皮带运输机全部数据经矿用交换机发送至工控上位机。PLC 控制器除控制皮带运输机的速度外，还要完成皮带运输机的制动、打点、洒水、给煤机等控制；获取打滑、撕裂、烟雾、跑偏等传感器数据，完成故障预测与诊断功能；获取皮带运输电动机的轴温度、绕组温度传感器数据，防止温度过高保护停机。

3 软件设计

图2 皮带运输机节能方案PLC 控制器逻辑图

3.1 节能模型

皮带运输机节能模型以煤流量和带速为重要衡量指标，当煤流量大时，带速较快；当煤流量小时，带速较慢。当皮带运输机恒速运行时，煤流量与皮带横截面关系可为[5-6]：

式中：Q 为单位时间煤流量；v 为带速；A（t）为煤流在皮带上的横截面积函数；ρ 为煤流密度。

当皮带上的煤流量恒定时，最优带速可表示为：

式中：Ar为皮带满载时的煤料横截面积；vr为皮带额定带速。

3.2 节能控制算法

皮带运输机节能控制算法以带速、功率两级PID 控制实现皮带煤流量与带速的协同、匹配。图3所示为带速度PID 控制，以皮带运输机标准速度曲线为输入量，根据获取的实时压力传感器完成速度PID 调节过程。

图3 皮带运输机带速控制流程

3.3 PLC 软件流程

皮带运输机节能控制方案PLC 软件总流程见图4 所示，在西门子CPU417-4 中以ST 语言完成软件程序的编写。在PLC 软件程序设计时，对节能方案功能进行划分，并按照功能进行模块化软件设计，主要分为系统初始化、自诊断保护、数据采集、皮带运输机启停控制、速度控制以及故障控制六个模块。自诊断保护用于PLC 软件系统对外设元器件以及通信进行自诊断和保护；数据采集模块用于实时采集安装在皮带运输机机身的个传感器数据；速度控制模块即以节能模型为依据，实现基于速度、压力以及主从电动机的PID 调节算法。PLC 软件设计还包括对皮带运输机的故障检测盒诊断功能，如传感器故障、通信故障、电动机故障、变频器故障等。

4 应用效果分析

设计并实现的选煤厂用皮带运输机以变频器和PLC 控制功能为一体，可以实现智能调速，即根据煤流量调节皮带转速，从而达到节能的目的。该皮带每天工作16 h，全年工作330 d，皮带需要系数0.45，电价0.50 元。日均节约电费（元）=功率（kW）×需要系数×电价（元）×节电率（%）×每天运行时间（h），该皮带运输机电动机的额定功率为200 kW。每年按330 个有效工作日计算，则采用智能调速后，选煤厂年均节约电费为200×0.45×0.50×0.12×16×330=2.85 万元。

图4 皮带运输机节能方案软件总流程

对于设备效益，主要从皮带运输机托辊使用寿命和皮带使用寿命两个方面进行分析。

4.1 托辊使用寿命效益

该选煤厂1 条皮带总长为110 m，共使用托辊约204 个，以托辊价格按97 元/个，托辊延长寿命比为30%，则每年选煤厂一条皮带托辊节省费用为204×97×30%=5936.4 元/年。

4.2 皮带使用寿命效益

根据该选煤厂实际生产情况，以皮带使用寿命3 a 计算，采用节能方案后，皮带减少运转周期，可延长皮带使用寿命时间约1 a。

5 结论

1）皮带运输机作为选煤厂的高耗能设备，采用节能控制方案后，达到了节能降耗的目的，保证煤流量与带速的实时协调和匹配，减少轻载、空载现象的发生。

2）皮带运输机节能方案对于延长托辊、皮带等设备的使用寿命具有较好的促进作用。