基于能耗优化的矿井带式输送机控制系统设计与应用

寇振捷

（山西焦煤西山煤电西铭矿，山西 太原 030052）

引言

矿井利用采煤机采掘得到的煤矿物料，需要通过带式输送机将其运输至指定位置或者矿井地面[1]。因此带式输送机运行过程的稳定性对采煤效率有非常重要的影响。另外，带式输送机作为矿井中重要的机电设备，其运行过程的能耗会对矿井整体经济效益产生重要影响[2]。目前很多矿井中使用的带式输送机都是以恒定的速度运行[3]。但采煤过程存在间断性的特点，有时采煤量较多，而有时采煤量则相对较少[4]。当采煤量较少时，带式输送机如果仍然以相对较高的速度运行，就会造成电力能源的浪费，同时还会造成设备不必要的磨损，增加其维护保养成本[5-6]。基于此，有必要从节约能耗的角度出发建立控制系统，对带式输送机运行过程进行有效控制，以达到节省能源的目的。

1 矿井带式输送机概述

如图1所示为常用的矿用带式输送机整体结构原理图。从图中可以看出整个带式输送机由多个结构件构成。其中，张紧装置的作用是保证皮带具有一定的张力，使之与滚筒、托辊之间保持紧密接触。带式输送机正常工作过程中，由驱动电机输出的动力经过减速器后作用在驱动滚筒上，带动滚筒做旋转运行。在摩擦力的作用下，驱动滚筒可以带动皮带做同步运动。而煤矿物料放置在皮带上，从而实现运输的目的。

图1 矿用带式输送机整体结构原理图

已有的理论和实践经验表明，带式输送机运行过程中的能源消耗主要与两个因素有关系，分别为运行速度和运输的煤矿物料重量。带式输送机运输的煤矿物料重量越多、运行速度越大，则对应的能耗就越高。运输的煤矿物料重量不由带式输送机本身决定，而是根据矿井开采实际需要发生变化。但带式输送机运行速度大小可以结合实际情况合理地调整与控制，使之与煤矿物料重量相匹配，从而达到节省能源的目的。本文主要以DTL140/32/110型带式输送机为例进行介绍，该型号设备同时由3台电机进行驱动。

2 基于能耗优化的控制系统总体方案设计

2.1 控制系统总体方案

结合煤矿实际情况，对DTL140/32/110型带式输送机的控制系统进行了设计研究，结果如图2所示。从图中可以看出，基于能耗优化的控制系统整体上由多个部分构成。

图2 基于能耗优化的带式输送机控制系统总体方案示意图

2.2 控制系统各部分介绍

以下针对不同部分分别进行简要概述：

1）上位机监控部分。主要作用是对带式输送机实际运行过程中的主要技术参数进行实时显示，以便工作人员了解设备运行状态；

2）PLC控制系统。内置带式输送机速度控制算法，可以根据传感器检测得到的数据对带式输送机的运行状态进行分析，判断运行速度是否合适，进而输出控制指令对运行速度进行控制；

3）变频驱动系统。变频器受到PLC控制器的控制，可以根据系统需要改变输出的电压频率，进而控制电机输出转速，变频系统自带有过电压、欠电压、过载等多种保护，确保变频驱动系统的稳定运行；

4）信号检测设施。主要是各类传感器和检测装置，对带式输送机运行过程中的速度、煤流量、电机电压与电流等信号进行实时监测，并将结果传输到PLC控制器中进行分析；

5）通信系统。主要作用就是实现不同装置之间数据信息和控制指令的交换。

3 控制系统主要硬件的设计

3.1 皮带秤

皮带称的作用是对带式输送机运输的煤矿物料重量进行实时检测。由于本研究所述的控制系统是根据煤矿物料重量大小对速度进行调整与控制，因此皮带秤的检测精度对控制系统运行效果有重要影响。结合实际情况选用的皮带称型号为ICS-XB。在带式输送机输送方向上共设置了三个皮带称，对煤矿物料重量进行连续监测。基于连续监测结果，综合分析带式输送机运输的物料重量。

3.2 PLC控制系统

PLC控制系统由多个硬件构成，其中PLC控制器是最为关键的部分，其性能好坏直接决定了控制系统的性能优劣。如图3所示为PLC控制系统涉及的主要硬件设施。结合实际情况。本系统中选用的PLC控制器为西门子公司研制生产的S7-1214C型号，该型号处理器为32位处理器，性能优越，且为本质安全型控制器，完全能够满足矿井复杂的工作环境。另外，控制器可以同时接受模拟量和数字量信号的输入，意味着通过传感器检测得到的数据信息，无需经过转换即可直接传输至PLC控制器中进行分析处理，大大简化了控制系统的结构。

图3 PLC控制系统涉及的主要硬件设施

3.3 变频器

设计的控制系统中，为每台电机配备了专门的变频器，选用的变频器同样由西门子公司生产研制，具体型号为6ES71，如图4所示为变频器的基本工作原理结构图。变频器的作用是将供电系统中的恒定电压和频率转变成为想要的电压和频率大小。但在实践中，由于变频器需要对电路中的电压和频率大小进行调整，容易产生谐波问题，对供电网络的稳定性造成影响。但6ES71型变频器采用的调频方式可以很好地规避上述问题，为提升功率因素奠定了良好的基础。

图4 变频器的基本工作原理结构图

4 控制系统的实践应用效果分析

将基于能耗优化设计的带式输送机控制系统应用到煤矿开采实践中，进行连续测验后发现取得了很好的应用效果，每年为矿井创造了很好的经济效益。以下对该控制系统产生的效益进行定量分析。

本文所述的DTL140/32/110型带式输送机同时通过三台电机进行驱动，每台电机的功率大小为250 kW，正常工作时的运行速度为4 m/s。假设带式输送机每年运行时间为300 d，每天运行时间为18 h。在没有使用能耗优化控制系统前，带式输送机运行时始终以最大功率工作，那么该型号带式输送机每年需要消耗的电能为4.05×106kWh。而使用基于能耗优化的控制系统后，带式输送机可以根据其运输的煤矿物料重量大小对其运行速度进行调节与控制。因此其整体运行速度有所降低，经过连续三个月的测试，发现带式输送机平均的运行速度为3 m/s，对应的三台电机总体功率为550 kW。在此基础上可以计算得到相同运行时间情况下，对应的能耗为2.97×106kWh。可以看出，通过使用控制系统使带式输送机每年消耗的电能降低了1.08×106kWh，产生的节能降耗效果显著。另外，带式输送机运行速度的降低，意味着设备损耗降低。初步估算，通过该控制系统的应用每年可以为煤矿企业节省约14万元的维护保养费用。

5 结论

1）控制系统通过速度传感器和皮带秤分别对带式输送机的运行速度和运输煤矿重量进行检测，PLC控制器根据检测结果对速度大小进行控制；

2）电子秤、PLC控制器和变频器的型号分别为ICS-XB、S7-1214C和6ES71，均为本质安全型设备，能够满足矿井复杂工作环境；

3）将该控制系统应用到带式输送机中，经初步估算每年可以节省1.08×106kWh的电量和14万元左右的维护保养费用。