煤矿带式输送机运输系统节能方案的探讨

王明星

（西山煤电（集团）有限责任公司官地选煤厂， 山西 太原 030022）

引言

受所处环境及运输物料性状等因素影响，煤矿带式输送机产生较为严重的磨损情况，并损耗大量电能，因此应用一种可实现运输系统高效、安全、节能的技术系统已成为煤矿生产企业亟需解决的问题。可编程控制器是专为工业生产而开发的数字运算操作电子系统，其具有使用简便、兼容性能好、支持多种通讯方式等优点，是自动操作系统的重要组成部分。因此，设计一种将可编程控制器应用于煤矿带式输送机运输系统中的节能方案。

1 煤矿带式输送机自动运输系统的组成

1.1 控制系统

控制系统为煤矿带式输送机自动运输系统的主要组成部分，具备系统逻辑化控制、数据采集与处理、信号输出等多种功能。美国罗克韦尔公司制造的Logix1756 可编程控制器在构建控制系统时应用较为广泛，具有稳定性能极佳的特点。此控制器能够实现无扰动切换，并且利用率较高。由于此控制器采用了模块化的构造，从而使其自身具有很强的功能扩展能力。系统采用了RSLogix5000 编程软件进行设计，并配置了Contro1Logix® 系统。因系统需在较为恶劣的环境下连续运行，故采用了双CPU 冗余技术，可保障系统的稳定运行及安全性[1]。

1.2 变频驱动系统

变频驱动系统主要由交流变频器、控制器、三相交流异步电动机组成，其中三相交流异步电动机与直流电动机相比，具有结构简单、操作便捷、效率高、成本低廉等诸多优点，因自身具备较强的机械牵引性能，使其获得了广阔的应用前景。变频驱动系统应用了东芝三菱株式会社生产的TMdrive-MV 高压变频器。此变频器工作效率较高，并可应用于不同的工作环境中，使用了Multi-LevelPWM 控制，极大保障了变频器的正常运行[2]。

1.3 运输机保护系统

由于带式输送机在输煤过程中有可能会发生各种不可预见的风险因素，为实现输送机的安全运转，故加入了保护系统。天津华宁生产的KTC101 保护系统具有良好的稳定性能，可实现实时对胶带机的保护，尤其在断带保护方面效果极佳。保护系统可实现对故障的检测并自动发出报警信息。

1.4 监控系统

自动运输系统处于工作状态时，应实时了解到系统的运行情况并实现自动控制功能。因此在自动运输系统中加入了监控系统并设置了上位界面。在上位界面中主要设置了主控窗口、设备窗口、运行策略、数据库、安全系统等，一旦出现紧急情况，各子系统能够对故障进行及时处理。

2 控制程序的设计

控制程序采用顺序控制方式进行逻辑设计，使其能够满足运输需求，并将扫描周期设置为0.01 ms。同时为实现系统的稳定性，将控制方式设置为自动及手动两种模式。在处于自动模式下运行时，系统可自主设置相应的运行参数，如将变频器高中低挡速率分别设置为50 Hz、30 Hz、10 Hz，并在运行时进行实时自动调节。在手动模式下，可进行单轴的手动模式运行，并设置不同的运动速率。如输送机传送带出现故障，即可采取手动模式进行操作。出于操作便捷性的考虑，设置了两种操作模式的一键切换功能，同时在控制程序中设置了紧急停止功能，可有效避免因意外情况导致的输送机断带事故。

3 煤矿带式输送机运输系统节能控制分析

3.1 工作原理

运输系统节能原理主要是提高系统的工作效率，并减少不必要的能源损耗。带式输送机属于恒转矩负载，及时转速产生改变，转矩始终维持在固定值。转矩计算公式为：

式中：Te为转矩；pm是电动机功率；w为阻力系数；n为转速。

带式输送机作为主运输皮带，在完成设备检修后，系统即会启动。顺槽皮带启动在主运输皮带启动之后，并且采煤设备为最后启动步骤，使得此系统主要出于空载运行的状态。另外由于受到煤矿生产条件的制约，经常会出现采煤设备的损坏情况，这进一步增加了系统的空载时间，造成设备损耗较多，因此应从此角度提升系统的节能效果。

3.2 节能控制

在进行运输系统的节能分析前，应首先明确运输系统能耗与各项运行参数的关系。通过对运输系统在不同工作条件下的测试，可见能耗因物料填充率的升高而增加，并与输送带带速及物料质量密切相关。可采用以下计算公式表示：

式中：qm为带式输送机在填充率为100%时物料的单位长度质量；V为传送带运行速度；Q为传送带流量。

在带式输送机设计环节中，应依据系统最大运量进行各项参数的设定，但由于实际生产中无法达到系统的最大运量，因此应按照实际运行情况设计带速，可得到运行功率Pr=空载消耗功率附加功率。式中：f为传送带的摩擦系数；H为物料实际提升的高度；Qm为煤流量；v为传送带运行速度；L为传送带实际长度。从中可以看出，在其他数值固定的情况下，能耗率仅与带速及煤流量相关。据此可知，只需控制好带速及煤流量即可实现对带式输送机运输系统进行节能控制。

通过上述分析可知，在此系统中，要合理分布胶带负载，并将输送机带速分为几个等级，通过结合煤机速度、电机电流等各项数据，使输送机能够在不同工况时实现自主调节，从而达到节能目的。

3.3 控制改造方案

1）顺煤流起车。顺煤流起车在带式输送机将物料卸载后即可应用，如发生故障导致停机及检修期间，此操作控制系统中具有顺煤流、逆煤流、手动等方式，可依据具体情况选择合适的启动方式。在启动时应先开启带式输送机，待其启动完毕后，可按顺序启动其他煤矿设备，如转载机、刮板运输机，同时在煤流运行至机器尾部的传感器附近时，再启动下游的带式输送机[3]。

2）智能调速。带式输送机上的物料流量处于不断的变化过程中，为降低煤量变化对控制系统的影响，可依据煤流量的实际情况调整速度变化区间，并于各区间内设置补偿值，降低调速频率，并采取逐步递增或递减的方式调节带速，从而避免变频器误动作及机械受到冲击后产生振动。在运输系统中开启节能调速功能后，处于下游的带式输送机可通过上游传感器检测到的煤量自主调节输送机带速。

4 应用效果

通过研究并制定出煤矿带式输送机运输系统节能方案，并将其应用于生产一线中，实际使用效果良好。通过考察并记录方案实施前后的各项数据，发现改造后的节能效率取得了重大突破，运煤成本实现了大幅降低。