煤矿带式输送机能耗优化控制系统的设计与应用

煤矿带式输送机能耗优化控制系统的设计与应用

刘东民

陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司  陕西 神木719300

摘要：带式输送机是煤矿主要运输设备，同时也是主要的能耗设备，确保带式输送机安全、高效、经济运行对提高煤炭生产效益有显著促进作用。变频器具备较为优越的调控性能，可以通过调节电机的转速和负载，降低电机的功率消耗，减少带式输送机启动期间的电气以及机械冲击。现阶段使用带式输送机虽然配备有变频器，但是变频器的节能降耗功能未能充分发挥，仅优化了启动性能，带式输送机在运行时仍保持恒速运行。为此，研究了一种带式输送机智能调速电控系统，通过传感器、变频器以及PLC等配合使用，达到依据负载智能调控运行速度的目的，以期充分发挥带式输送机变频器功能、提高运行效率。

关键词：煤矿;带式输送机;能耗优化;控制系统;设计;应用

引言

带式输送机是一种可实现连续性、长距离输送的高运量输送设备，具有集中控制与自动控制特性，是煤炭生产不可或缺的重要运输工具。当前阶段，我国电动机装机容量逐步提升，在全国总用电量中，年耗电量占比高达60%，然而电力机驱动系统的能量利用率却相对较低，传统恒速运行方式会导致电能资源浪费、增大生产成本，基于此，煤矿带式输送机运行时需要采用电气节能技术实施改造，以便降低能耗，实现节能目标。

1、煤矿带式输送机节能模糊控制设计

1.1模糊控制原理

模糊控制是在人机控制理论的基础上抽象得到的现代控制理论，可实现专家知识控制策略向自动控制策略的转化，其输入变量是被控对象的输出量偏差以及偏差变化率，而输出变量则是被控量，能够反映出所有输入与输出语言变量及控制规则间的模糊定量关系，同时也能揭示算法结构。应用时需要利用语言控制规则对收集的控制信息进行模糊推理与决策处理，得到控制量模糊集后，再通过模糊判决得到具体的输出控制量，从而实现控制目的。相较于普通计算机数字控制系统而言，模糊控制系统安装了模糊控制器，其结构、规则、算法及决策方法决定着系统的运行质量。

1.2电气节能模糊控制器设计

此控制器共设定三个输入量，即输送带运行速度偏差、速度偏差变化率、运量偏差，输出量设为电机频率。模糊处理后可分别得到三个输入量与一个输出量的量化论域，其中运量偏差模糊集是{负大，零，正大}，另外几个变量的模糊集是{负大，负小，零，正小，正大}。结合变量基本论域及模糊集论域，可确定比例因子，之后构建模糊变量赋值，建立带式输送机的模糊控制规则，最后，应用加权平均得到模糊控制表，并存储到可编制控制器中，用于查询相应数据调取输出控制量[1]。

2、煤矿带式输送机能耗优化控制系统的设计与应用

2.1双CPU冗余技术

PLC控制器是变频调速节能控制系统的核心，除了中央处理器（CPU）外，还包括存储器、I/O接口、电源等。考虑到带式输送机的运行环境复杂，为了保证控制系统的可靠性与安全性，本文在设计中采用了双CPU冗余技术。同时，每一台CPU使用独立的电源供电和独立的通信模块，两台CPU一主一备，提高了系统的容错能力。其中一台CPU作为主控系统，对全部设备进行监控；另一台CPU作为备控系统，同步监测主控制系统的运行。当监测到主控制系统出现异常后，立即切换至备控系统，确保带式输送机的正常使用。在CPU的选型上，选用了罗克韦尔公司生产的ACN15型可编程控制器，通过局域网与前端设备实现数据交换。

2.2变频调速原理

变频器（VFD）根据直流工作回路的不同，可以分为电压型和电流型两种类型，本文基于带式输送机的运行特点和控制需要，选择电流型变频器。其结构主要包括输入滤波模块、整流模块、直流滤波模块、制动模块和逆变模块等。其中，输入和输出滤波模块的功能是抑制变频器对系统中其他电气设备产生射频干扰恒流模块可以改变电压与频率，使交流电变成直流电；转换后的直流电存在高次谐波，因此在设计变频调速装置时还加入了直流滤波模块，能够消除高次谐波、抑制电流脉动。

2.3智能控制系统模块选型

根据分析得知，矿井下带式输送机的运行环境复杂多变，需要设计一个满足矿井生产需求的智能控制系统。在对系统的研究中，首先要选择合适的控制方法，即如何结合传感器与单片机，实现对带式输送机实时监控，通过通信模块传输给单片机，使运输系统处于最佳工作状态。在计算机技术飞速发展的今天，工业设备的自动化可以利用ＰＬＣ或工控装置完成。煤矿开采具有复杂性和多变性，传统的继电保护已经不能满足要求，我们应该采用先进的自动控制系统，提高煤矿安全系数。ＡＴ８９Ｃ５１单片机作为核心处理器，它的功能是数据采集、处理和显示。程序使用Ｃ语言编程，开发语言为Ｋｅｉ１软件，具有丰富库函数，能够方便编写指令，还拥有良好的可移植性，易于阅读和维护。

2.4主控卡

在系统运行过程中，需要监控输送机的各个工况，要对使用设备的工作状态和参数等信息进行分析，通过数据判断是否满足要求。在生产中，带式输送机主控卡的作用是控制电动机运转，使皮带与电机转速适应，保证皮带上的物料可以顺利进入料槽。皮带上的物料倒进料槽时，会自动停止转动，使皮带上的物料不会因为没有及时运输而掉入料槽。在矿井下，为了防止长距离的煤直接从两边卸入矿道，必须安装一个能够检测和显示异常的传感器，以便工作人员观察。当传送装置发生故障时，主控卡能迅速做出反应，避免事故发生。本节主要内容是介绍两种方式：ＰＬＣ的主动和西门子的被动

[2]。

2.5外围器件

在井下开采时，带式输送机的外围器件主要是指油罐等，这些装置将煤运输通过，保证矿井安全生产。矿井开发受到各种因素影响，带式输送机的外围器件会出现一些问题，例如供电故障，不能满足正常运行要求。为解决上述问题，需要仔细排查，并加强对其他设备的检测，这样才能确保运输系统的稳定和可靠。此外，必须考虑其他配套设施的使用情况，比如通风、防水等，保障整体安全性。总的来说，要做到全面、合理、有效、经济、环保。

2.6设计故障识别功能

当皮带运输系统长期运行受到环境腐蚀和磨损之后，故障问题不可避免，倘若难以实时有效地处理故障问题，那么会使故障影响面积扩大，从而使运行环节的经济损失增加。为此，故障识别设计必不可少，比如能够应用PLC技术分析之前系统的多发故障，诸如齿轮、线路、皮带等的磨损，且事先标识损坏的原因，在形成故障征兆的情况下事先进行预警，进而确保系统检修质量和效率的提升[3]。

2.7设计生产系统

位置不同，其煤层的含水量和厚度等都面临不同之处，为此，皮带运输系统在运行过程中的负重情况也存在差异。PLC技术在生产系统设计中的应用能够有效连接皮带运输开展系统和PLC系统，以及结合PID模块对皮带运输控制系统的一系列子模块进行控制，从而实现生产系统的稳定运行。并且，还可以监督系统的运行状态，在遇到预警信息的情况下，能够在系统上传和报备，结合反馈的信息解决问题。

结束语

总之，针对煤矿井下带式输送机始终保持高度运行存在能耗高、磨损量大问题，提出充分发挥变频器变频节能功能，构建一套智能调速电控系统。系统以料流传感器、皮带秤分别监测采面运输顺槽以及盘区大巷内带式输送机煤流量，采用PLC、模糊控制算法，实现监测数据分析，通过调节永磁变频器输出电流频率，实现带速智能控制。现场应用后，构建的智能调速电控系统运行平稳，可实现带式输送机智能调速控制，在降低设备能耗及磨损方面表现出显著优势，同时可在一定程度提高井下运输系统智能化控制程度。

参考文献：

[1]宫韶华.煤矿带式输送机能耗控制系统的设计与应用研究[J].机械管理开发,2019,36(11):240-242.

[2]张志强.矿井带式输送机能耗优化控制系统设计与应用[J].机械管理开发,2019,36(11):259-261.

[3]寇振捷.基于能耗优化的矿井带式输送机控制系统设计与应用[J].机械管理开发,2019,36(05):235-236+239.