皮带输送机节能变频控制系统的应用

李帅帅

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 047100）

引言

皮带运输机是煤矿主要运输设备，也是矿井生产运输系统的咽喉[1-2]。近年我国煤矿自动化水平逐步提高，皮带运输系统能够实现自动启停，但是在矿井的正常生产过程中，由于皮带运输机多为定速运输，矿井出煤量不稳定时，皮带运输系统存在空载运行和少煤快转的现象，造成皮带能耗大，经济效益低的问题[3-4]。为提高皮带运输机使用效率，降低设备能耗和机械磨损，提升矿井经济效益，设计皮带运输机变频控制系统[5-6]，在实现“有煤开车、无煤停车，煤多快转、煤少慢转”的基础上，还可以提升矿井自动化水平。

1 皮带节能控制系统的设计

1.1 煤量识别

煤矿皮带运输机要实现“有煤开车、无煤停车，煤多快转、煤少慢转”，必须对皮带运输机上煤量多少进行准确识别。由于煤矿井下环境特殊，存在大量水蒸气，且煤炭运输过程中必然会出现大量煤尘，对煤量识别传感器的适应性要求较高。采用“微波光”探测原理的煤流传感器（见图1所示），实现皮带运输机上煤量的识别，为非接触式安装。其原理为通过微波光照射和接收，计算微波光的发射和反射时间差，从而可以得到皮带上部煤的厚度，并将其转换为4～20 mA电流信号进行输出。微波光传感器可以实现高速运行皮带运输机上煤流的检测和信号输出；并且采用多模块微波光技术相互补偿，精确识别不同状态的煤厚，处理后对信号进行模拟量线性输出。该微波光煤流探测传感器避免了接触式传感器的诸多缺点，不受安装地点限制，不受皮带倾角的限制，且有寿命长、精度高、防碰撞、外部环境干扰小的优点。

图1 煤流传感器

1.2 皮带机速度自动调节

煤矿皮带运输机要实现节能提效，在煤流准确识别的基础上，还需要做出相应的应对反应，无煤流时要停机，煤流小时要降速，因此，需要在皮带输送机电机上安装变频调节器。采用隔爆兼本质安全性变频器，与皮带输送机的电机连接，通过变频器来实现对皮带输送机速度的调控，实现“有煤开车、无煤停车，煤多快转、煤少慢转”。

在皮带落煤点上部安装煤流传感器，可以实现皮带输送机上部煤量的实时检测，并转换成对应电流信号，传输至PLC控制箱，然后将转变后的信号传输给变频调节器，通过变频调节器控制皮带输送机的速度，从而实现根据皮带输送机煤流多少自动控制皮带输送机速度，最终达到节能提效的目的。控制流程见下页图2。

2 改造方案

为实现多部皮带的联动启停，以及地面监控中心的远程一键启停，需对井下皮带传感器、控制系统、视频监控以及地面调度室进行改造。

2.1 皮带传感器的改造

改造皮带输送机需设置堆煤、速度、跑偏、烟雾、撕裂、拉线等传感器，同时在皮带输送机落煤点上部安装微波光煤流传感器，其与变频器相互配合使用可实现煤流大小与皮带速度实时在线调速功能，实现节能降耗。

2.2 控制系统的改造

图2 控制流程图

本次皮带输送机改造采用的PLC控制系统为西门子S7-1200系列。在需改造的皮带机头分别安装KXJ660型PLC防爆箱和TH12-X本安显示控制台，可以显示皮带输送机操作控制、急停控制和送话控制；显示器可以修改参数，还可以显示、存储皮带运行状态，同时显示电机的电流、电压、运行和故障状态。电控系统通过采集煤流传感器的数据及状态，控制变频器的输出频率，从而实现对皮带运行速度的调节，达到根据皮带运送煤炭的有无、多少来实现皮带节能运行的目的。

工作面皮带运输机上部煤炭来自工作面采煤机割煤，因此，采用具备起停功能的通讯机采集给煤机的启动信号，并由程序自动检测皮带运行速度。皮带全速运行时，通过PLC控制给煤机继电器，起动给煤机；若采集到给煤机起动信号后，程序检测到皮带未达到全速，则在皮带达到全速后再起动给煤机，防止突然起动洒煤。

2.3 地面调度室及视频监控的改造

在地面监控中心布置网线、光缆和井下连接，通过IPC-610L型研华工控机、视频柜、KBA113型矿用隔爆型摄像仪云台一体机对井下皮带运输状态、运输数据进行实时监控。

3 应用效果

改造后的皮带输送机在某矿井工作面顺槽进行安装试验，该皮带输送机由两条皮带组成，单条皮带长度不小于500 m，均由两台355 kW电机拖动。单条皮带安装见图3所示。在现场实际运行过程中，通过实时监测皮带输送机运行数据，对皮带节能效果进行分析，单条皮带的能耗降低约30%，并且皮带实现“有煤开车、无煤停车，煤多快转、煤少慢转”，可以降低皮带输送机整机的机械损耗，延长使用寿命，节约维修成本。根据皮带运行里程分析可知，皮带输送机使用寿命可延长1倍，其经济效益更加显著。

图3 单条皮带安装示意图

4 结论

通过现场试验分析可知，对皮带运输机进行节能系统改造后，其在实际运行中可降低约30%的能耗，并且降低皮带输送机的机械损耗，延长使用寿命，节约维修成本。