皮带运输机节能控制系统的优化

暴跃新

（山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司，山西晋城 048214）

0 引言

近几年来，煤矿凭借着占我国能源消耗60%的比例，仍为我国的基础能源。煤矿能源的使用虽然可以加快我国生产力的发展，但是产生了一些不好的影响，如环境污染严重、资源浪费现象频繁出现等。为了减少这些不好影响的发生，应对煤矿产业进行严格管控，促进煤矿开采方式的转变，逐步放弃粗放性开采，转而实行精细化开采，同时采用发展高产高效工作面的矿井代替低产低效且产能落后的矿井[1]。

煤矿行业开采用来运输煤矿的工具是皮带运输机。但是因为井下煤矿分布不均匀，则会出现采煤不均衡现象，即无论采煤量大小为多少，皮带运输机始终以相同的功率、相同的速度运行，这就会产生电能的浪费，设备的生产效率降低。为了使皮带运输机能够根据皮带上实际的承载量对设备的转速及相应的功率做出适当合理的调节控制，采用了变频调速技术、节能控制技术2种技术。运用此技术可以使皮带运输机根据实际采煤量进行速度和功率的调节和控制，提高生产效率，减少资源浪费现象，进而提高经济效益。

1 皮带输送机结构及基本性能

1.1 基本结构

近几年来，由于皮带运输机适应性强，可以满足大运量、高强度采煤工作的要求；在坡度陡峭的道路上仍然可进行运输等优势，使其成为井下采煤行业的主要运输设备。皮带运输机的构成包括：通过滚筒的转动产生摩擦，将牵引力传送给输送带，带动输送带转动，进而货物运输作用的驱动装置；防止皮带发生滑动，拉近皮带作用的张紧装置；进行煤量运输的输送带；包括改向滚筒及托辊并调节输送带方向的改向装置等。

1.2 基本性能

皮带运输机的基本性能包括输送能力、带速、带宽、胶带安全系数等。皮带运输机的输送能力即运输机的运输能力，井下煤矿运输系统往往采用多部皮带运输机搭接起来共同运作。因此对于前后端皮带运输机型号的选择，需要根据峰值、掘进及回采等运输煤量进行型号的选取，需要注意的是顺煤流始端的皮带运输机应该小于或等于末端的皮带运输机。

2 皮带运输机节能控制系统优化方案

由于井下煤矿开采过程中皮带运输机的运煤量各不相同，为了实现皮带输送机根据实际负载量进行自动调速节能的目的，可以采用合适的方法将煤矿开采所有过程中不同的负载量转换成相应的电气量变化，进而就可以通过对电气量的控制来调节皮带运输机的速度变化。对皮带运输机节能控制系统进行优化时，必须遵循国家的相关规定及政策，选择安全性高、节能高效、合理美观的设备。

PLC是节能控制系统的核心，故本文运用自编的PLC 调控器，对运行过程中皮带秤（AD）的不同信号值进行收集；接着运用适当的算法得出皮带运输机的运煤量，同时找到一种皮带上不同承载量的判断方法，并利用这种方法结合实际情况进行运行速度的调整，进而实现资源节约[2]。驱动方式主要有变频驱动方式、永磁同步变频直驱方式、调速型液力偶合器驱动方式、CST 可控起/停驱动方式4种[3]。本文对这4种驱动方式进行了对比分析，如表1所示。

表1 4种驱动方式的优缺点对比

通过对表1进行分析，发现第一种和第四种驱动方式的性价比较高。但是由于第四种驱动方式成本比第一种驱动方式高，故采用第一种即变频驱动作为主要的驱动方式。皮带输送机的节能控制系统主要包括3个模块：控制、执行、检测单元模块，如图1所示。

图1 节能控制总体系统图

3 皮带运输机节能控制系统优化

3.1 PLC节能控制装置优化

皮带运输机节能控制系统的核心部分就是PLC控制器，因此对皮带运输机进行节能调控就必须对PLC节能控制装置进行优化。PLC控制器主要包括编程器、CPU（即中央处理器）运行计算及操控中心、输入接口（I）、输出接口（O）、存储器[3]。运行步骤如下：首先，设备运行之后，PLC控制器中的传感器开始收集系统中模拟量、频率信号值、开关量等；其次，收集完的数据通过数据接口传送到PLC 的存储器中；然后，PLC中的中央处理器分析处理所得到的数据，并根据得到的结果，发出相应的操作指令；最后，用户根据得到的数据，通过操控界面组态王对皮带输送机的运行状态进行实时的监测与调节[4]。

为了使PLC 节能控制装置能够很好地通过运输机承载量的变换对变频器电源频率进行控制，基本步骤为：首先，皮带运输机开始运行以后，系统对其进行控制，同时将检测环节和变频器加入其中；其次，分配输入输出节点，建立输入输出模块[5-6]。本文设计的节能控制系统采用了2台核子皮带秤，分别安装在2个不同的皮带运输机上（工作面顺槽皮带输送机与主斜井二部皮带运输机）。当井下煤矿开采时，皮带秤可根据输送带上煤量多少得到相应数据，并传输到PLC上，此时PLC将得到的数据和原有数据库已经设定好的数据进行比较，并根据比较结过输出模拟信号，传给变频器，变频器根据相应的信号对皮带运输机的运速进行调节控制[7]。同时为保障数据的精度，增加一台皮带秤进行数据矫正。故无论运煤量为多少，运输机都可进行相应转速调节，避免资源浪费。PLC节能控制系统中最重要的就是主控制程序，主要流程图如图2所示。

3.2 变频调速装置优化

异步转动机的转速公式：

式中：n 为转速；f 为频率；p 为极对数；s 为转差率。

图2 PLC主控制程序流程图

根据式（1）可以看出，可通过调节频率，进而实现转速的转变。需注意的是变频器必须同时对电源频率及电压进行更改，否则就会损坏电机。本文以某煤矿为例，优化分析了输送机的变频调速装置。由于一台皮带输送机内就包含了3台电机，如果这3 台电机运行速度不一致，则可能会导致设备损坏，所以同一台皮带输送机中的3 台电机的运行速度、功率必须一致。因此需要使用一台主从控制器对3台变频器进行控制，这3台变频器的主从转动模式不同，其中一台变频器的主转动模式为速度控制，另外2 台的从转动模式为转矩控制[8]。并且从传动必须和主传动的电机速度一致，需要注意的一点是对转矩进行评判时必须以主电机的数据为主。为保证3台电机的一致性，必须用PLC主从控制器对每2台电机进行相应的调节控制。该系统具有输送机沿线设置有打点信号联络和启动预告、优化控制给煤机与给煤量、自动调节输送带张力、出现故障及时报警或自动停车等优点。

4 结束语

本文通过对皮带运输机基本结构及基本性能进行分析，并对皮带运输机节能控制系统进行了优化，重点对变频调速装置和PLC 调控器进行优化分析。对4种驱动方式的优、缺点进行了对比分析，结果表明第一种驱动方式（即变频驱动）的性价比最高。该优化方案在某煤矿主斜井皮带运输机上进行了试用，发现效果很好，每年比以往节省了大约412万度电（1度=1 kW·h），节能效果好。表明该系统优化能减少电能的浪费，提高运输效率及经济性，保障工作人员的安全，促进煤矿产业的精细化发展，值得推广。