带式输送机运行能耗优化控制系统研究

李小虎

(山西汾西矿业集团有限责任公司 曙光煤矿，山西 孝义 032303)

带式输送机由输送带、托辊、机架、驱动装置以及张紧装置等构成的连续运输设备，具备有运输距离远、结构简单、可靠性强等优点，是现阶段煤矿井下主要运输设备[1-2]。随着矿井生产范围以及产量增加，带式输送机铺设覆盖范围不断加大、驱动装置功率不断增大，电能消耗呈增加趋势[3-5]。随着控制技术发展，现阶段带式输送机基本实现变频控制，虽然可在一定程度上降低设备运行能耗，但是现场应用过程中变频器主要起到软启动、软停机等功能，降低启动或者停机给带式输送机以及供电电网产生的冲击，未能充分发挥其节能降耗功能[6-8]。为此，文中以山西某矿井下铺设的带式输送机为工程实例，对带式输送机运行能耗优化控制系统展开研究，以期提高矿井煤炭运输效率并降低带式输送机运行整体能耗。

1 井下带式输送机运行系统概况

山西某矿设计产能力为180万t/a，现阶段开采5号煤层，煤层厚度4.2 m，赋存稳定，5302综采工作面为现阶段矿井唯一在采工作面。井下原煤运输系统为：5302运输巷带式输送机—5采区集中运输巷带式输送机—主斜井带式输送机。原煤运输长度共计为5 980 m，带式输送机总装机功率为750 kW。为便于后期管理以及维护，矿井运输系统沿线带式输送机除去铺设长度存在差异外，输送带、驱动电机等规格均一致，采用的输送带带强为2.5 kN/m、带宽为1 200 mm，驱动电机转速为1 480 r/min、功率为250 kW。

矿井带式输送机大都采用恒速运输方式，采用此种方式时可满足不同工况下原煤运输需要，但是也存在设备磨损严重、能耗高等问题。根据已有研究成果显示，在轻载或者空载时适当降低带式输送机运行速度，既可满足系统原煤运输的需要，也可避免变频器始终输出电流频率较低、发热量较大等问题实现经济能耗；但是当运行速度过低时则会影响原煤运输量并对输送带带强、质量等提出更高的要求。因此，理性的带式输送机运行控制方式为：根据带式输送机负载调整运行速度，当处于空载时带式输送机保持最低运输运行；带式输送机运行速度与负载呈对应关系且不应随着负载变化频繁调整运输速度。

2 带式输送机运行能耗优化控制系统

2.1 系统整体结构

该矿主斜井、5采区集中运输巷及采面运输巷内的带式输送机均采用变频器控制，为后续的运行能耗优化控制系统的实施创造良好条件，充分发挥变频器速度的调整功能，可在一定程度上降低带式输送机运行能耗。具体策略为，在带式输送机运输系统沿线布置煤流量监测传感器、速度监测传感器，传感器监测结果传输给PLC，PLC依据监测结果通过变频器调整带式输送机运行速度，实现负载与速度均衡，在满足运输能力基础上降低设备运行能耗。运行能耗优化控制系统结构如图1所示。其中煤流量、运行速度是运行能耗优化控制系统的重要组成参数，同时如何实现煤流量、速度合理匹配是系统需要重点关注的问题。

2.2 运行能耗优化控制系统硬件组成

带式输送机沿线布置有堆煤、撕裂等各类安全监测传感器，将安全监测结果输入到运行能耗优化控制系统，不仅可满足带式输送机节能降耗需要而且可提高设备运行安全性、可靠性。为此，带式输送机运行能耗控制系统结构，是在原有结构基础上增加速度传感器、煤流监测传感器、电机功率采集模块等。将上述传感器及监测模块的监测结果与信号采集控制器获取到的堆煤、撕裂、温度等传感器的监测结果传输给PLC控制器，由PLC控制器判定带式输送机运行状态，同时将速度传感器、煤流监测传感器、电机功率采集模块等采集结果以及带式输送机运行状态参数等传输给上位机，再由上位机通过综合分析向PLC发出相关控制指令，通过调节变频器输出频率实现运行速度、负载均衡。具体系统硬件结构组成如图2所示。 运行能耗优化控制系统使用6SE71变频器、S7-300PLC、 KTC101信号采集控制器。

图2 运行能耗优化控制系统硬件组成图

2.3 能耗优化控制程序

带式输送机能耗优化，关键在于实现带式输送机煤流量(负载)、速度均衡。在带式输送机运行过程中，由于煤流量处于动态变化状态，若依据煤流量变化动态调整运输速度，则变频器会频繁地调整输出电流频率，导致驱动装置故障发生率增加，会增加设备的磨损问题，无法保证带式输送机的平稳运行，且降耗效果不佳。因此，所采用的能耗优化控制成程序，是基于阶梯调速理念构建，其具体结构组成如图3所示。将带式输送机上煤流量划分为若干区段，每个区段均对应一个运行速度，在区段内随着煤流量变化，带式输送机运行速度保持不变，从而避免变频器频繁调整输出频率问题。

图3 运行速度调控流程

能耗优化控制系统上位机控制软件通过WinCC7.3编制，PLC、上位机通过以太网通信，通过上位机显示界面即可掌握带式输送机运行和能耗情况，提高带式输送机运行调整及远程监控能力。

3 现场应用效果分析

3.1 系统运行情况

运行能耗优化控制系统应用到带式输送机控制中，并经过为期1个月调试后，现阶段该系统实现了平衡运行，可依据带式输送机煤流量、带式输送机负载调整运行速度。当带式输送机处于重载运行状态时，则保持高速运行；当处于轻载或者空载状态时，则依据煤流量对运行速度做出调节，且运行速度最低在2.0 m/s，可满足系统原煤运输的需要，同时也避免了变频器始终输出电流频率较低、发热量较大等问题。上位机系统可实时掌握井下带式输送机运行情况。

3.2 能耗统计结果

为对比分析带式输送机在原有恒速运行模式下与能耗优化控制模式下的能耗情况，用一周时间采集带式输送机原煤运输量、能耗及电费投入进行对比分析。监测数据见表1、表2。

表1 恒速运行时能

通过对比表1、表2监测结果看出，在带式输送机处于恒速运行模式时万吨原煤运输电费投入约为23 867元，在运行能耗优化控制系统控制在万吨运输电费降至20 432元，万吨运输电费投入降低约3 435元，降幅为14.39%，能耗控制取得较好效果。

4 结 语

1) 现阶段矿井带式输送机多采用变频器实现软启动，未能充分发挥出节能降耗功能。为此，在原有带式输送机控制系统基础上，通过增加速度、煤流量以及功率监测传感器等设备，实现带式输送机煤流量、速度监测，当煤流量较大、带式输送机处于重载时则保持高速运转，若煤流量较小、带式输送机处于轻载或者空载时，可适当降低运输速度，以便实现煤流量、速度均衡，降低带式输送机运行能耗。

2) 以带式输送机运输系统为工程背景，对运行能耗优化控制系统结构组成、系统硬件结构以及调速控制流程等进行分析，并进行工程应用。结果表明，运行能耗优化控制系统应用后，带式输送机电费投入减少约3 435元/万t，综合电费及能耗降幅为14.39%，能耗优化控制效果较好。