皮带输送机节能变频控制系统的应用_张华.pdf

皮带输送机节能变频控制系统的应用张华（山西煤炭运销集团三聚盛煤业有限公司，山西太原030303）摘要：为解决皮带输送机运速与运量不平衡所导致的电能浪费和威胁安全运行的问题，以三聚盛煤业主运输系统为研究对象，在对煤矿采煤能力参数分析和不同调速方式优劣性对比的基础上，采用变频调速方式实现皮带输送机的节能运行，重点完成了煤量自动识别、变频调速装置的设计；最后，对变频节能调速系统的应用效果进行验证和评估。关键词：皮带输送机；变频节能；煤量自动识别；PLC 控制；速度传感器中图分类号：TD528+.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0159-020引言近年来，随着大型综采设备和高效综采工艺的应用，煤矿生产能力得到大幅提升，对应的综采工作面皮带输送机朝着大运量、长距离以及高运速的方向发展。皮带输送机作为煤矿综采工作面的关键运输设备，由于煤矿开采的不均衡特性，导致其所运输的煤炭在不同时期或不同时间段内均是不一样的。而对于传统皮带输送机控制系统其均是依靠额定功率进行运行，常出现“大马拉小车”的情况，导致皮带输送机运行效率降低，从而导致电能被浪费1。因此，实时根据皮带输送机运量对其驱动功率进行控制，在满足运输要求的同时达到节能的效果是十分重要的。本文将主要开展节能变频控制理念在皮带输送机控制系统的应用。1工程概况三聚盛煤业有限公司现主运输系统带式输送机未改造升级为变频调速系统，想要证明皮带输送机节能变频控制系统的实用性，需要结合煤矿的实际生产能力开展相关研究。因此本文以完成改造升级的三聚盛煤业为例开展研究，该煤矿设计的生产能力为 500万 t/a 采用放顶采煤方式对工作面煤层进行开采；对应的顶板管理方式为全部冒落法。该综采工作面采用“三八”工作制度进行开采，每班工作时长为 8 h。该煤矿运输系统功能如图 1 所示。煤矿 1303 综采工作面对应的采煤高度为 3.2 m，放煤高度为 6.9 m。经计算，该工作面每年推进距离为2.482 km，每年生产能力为 5.35 Mt。结合该工作面的采煤机能力对运煤量进行预测。经过统计得出 1303综采工作面的采煤能力参数如表 1 所示。结合表 1 所示的 1303 综采工作面的采煤能力参数，可以得出该综采工作面在一个循环作业中煤炭的运输量和时间的作业关系，如图 2 所示。2变频节能控制理念在皮带输送机中的应用虽然煤矿皮带输送机节能运行的需求已经迫在眉睫，但是针对节能控制的方案还与实际应用存在一定的差距2。实现皮带机变频节能控制的核心在于保证其运速与其实时运量相匹配，即实现皮带输送机电动机输出功率与实时运量匹配，避免出现大马拉小车的耗能问题和下马拉大车的安全问题。就当前皮带输送机上述节能控制的需求可采用调速型液力耦合器、CST 可控启停驱动、永磁同步变频直驱以及变频驱动等方式。综合从控制精度、占地面积、技术成熟度以及成本等因素，最终采用变频驱动方式实现皮带输送机的节能控制。结合变频调速的核心思想设计如下页图 3 所示的变频节能控制系统总体框图。如下页图 3 可知，变频节能调速控制系统收稿日期：2022-04-18作者简介：张华（1987），男，山西襄垣人，本科，毕业于吉林大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，从事矿山机电工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.064图 1三聚盛煤矿主运输系统参数名称参数值采煤机循环截割煤量/t612.1采煤机循环截割时间/min48.9截割煤炭平均运输煤炭的能力/（t h-1）751.04煤炭最大运输能力/（t h-1）1 704.6液压支架移架放煤时间/min39.12液压支架移架放煤量/t1 111.4表 11303 综采工作面采煤能力参数图 2煤炭运输量与循环作业时间的关系原煤仓顶刮板输送机上仓带式输送机1 号分站1 号主站2 号分站 3 号核源主斜井二皮带3 号分站4 号分站2 号核源主斜井一皮带I 盘东翼大巷皮带I 盘西翼大巷皮带掘进工作面带式输送机综放工作面顺槽带式输送机1 号核源5 号分站1号原煤仓2号原煤仓3号原煤仓运煤量/（t h-1）第一个循环作业第二个循环作业1 704.6751.04048.988.02136.92176.04作业时间/min自动化系统设计机械管理开发第 38 卷主要包括有执行单元模块、控制单元模块以及检测单元模块。其中，检测单元模块重点对皮带输送机的实时运量和匀速参数进行获取；控制单元模块根据实时运量和匀速得出相应的控制指令；执行单元模块根据相应控制指令对皮带输送机电机的输出功率进行调整，从而实现运速与运量的匹配控制3。2.1检测单元模块设计带速传感器实时对皮带输送机运输速度进行监测，本系统采用 SDCX-500 型速度传感器。针对煤量检测的需求，本系统采用煤量自动识别技术实现对输送带上煤量的自动检测。目前可采用的煤量检测装置包括有核子皮带秤和电子皮带秤。其中，核子皮带秤的精度相比电子皮带秤更高，且其对应的保养更加方便。因此，本系统采用核子皮带秤对输送带的运量进行实时检测。核子皮带秤的结构如图 4 所示。2.2变频调速装置的设计三聚盛煤业主运输系统皮带输送机采用三驱动方式进行控制。因此，需要在每个电动机上均配套一个变频器。本系统选用多电频无谐波的变频器，其对于保证调速的稳定性具有重要意义，具体型号为MVG-2000/10/6。对于多电机驱动的皮带输送机，3 个电动机功率在实际生产中需要保证平衡。针对皮带输送机功率平衡控制的需求，本系统采用主从控制的原则实现对 3台变频器的控制；具体分配如下：1 台变频器以速度控制模式作为主传动；另外 2 台变频器以转矩控制模式作为从传动4。在上述分配设置下实现皮带输送机多电机的功率平衡和速度同步控制。2.3变频节能调速控制流程设计变频节能调速控制为皮带输送机节能运行的关键，根据运速与运量相匹配的原则，设计如图 5 所示的变频节能调速控制流程。3皮带输送机变频节能控制效果评估将变频节能控制系统应用于三聚盛煤业的主运输系统中，对近期该系统的应用功能效果进行评估，主要从运输效率、电气节能、机械损耗和社会效益等方面进行综合评价5。结合三聚盛煤业的年产量对改造前煤矿主运输系统中主斜井的两部带式输送机的耗电量进行计算。改造前两部皮带输送机电机的平均输出频率为 42Hz。其中，主斜井的一部皮带输送机的耗电量为133056000kWh，二部皮带输送机的耗电量为 133 056 000 kWh；两台皮带输送机总的耗电量为 26 611 200 kWh。改造后，两部皮带输送机的平均输出频率为 40Hz，对应两台皮带输送机的总耗电量为 22492800kWh。经计算，改造后两台皮带输送机可节约电量为4 118400kWh，对应的节点效率为 15.5%。按照工业用电为 0.65 元/kWh，每年可直接节约电费约 267.7 万元。总的来讲，三聚盛煤业主运输系统采用变频节能控制系统，主运输系统的运输效率明显提高；由于运速可根据运量进行实时控制，减少了主运输系统的机械磨损，每年可节约相关材料及部件的配套维修费用约 34.6 万元。4结语皮带输送机为煤矿综采工作面的主要运输系统，其属于大功率设备，针对传统皮带输送机以恒功率方式进行控制，导致出现运速与运量不匹配的问题，不仅造成大量的电能浪费，而且在某种程度上还造成了设备运行的安全隐患。本文将变频节能控制理念应用于皮带输送机的控制中，并采用变频图 3变频节能调速控制系统总体框图图 4核子皮带秤结构示意图图 5变频节能调速控制流程控制单元模块检测单元模块带速传感器PLC 节能控制装置煤量传感器人机对话界面执行单元模块变频带式调速输送驱动装置机放射源A 型支撑架物料皮带速度传感器探测器显示器打印机上 位 工 控 机速度信号下位核子前置 开停信号机系秤远放大其它模拟开关量输出统程通信站低煤位报警信号?给煤机减少给煤量测量运量 Q计算带速 v否否vve/2?是根据 v 得出相应频率 f否是开始给煤仓煤位信号煤量是否在设定范围？否高于设定值?是给煤机增加给煤量测量运量 Q计算带速 v根据 v 得出相应频率 f返回测量运量 Q计算带速 v根据 v 得出相应频率 f是停机以 ve/2 运行根据 ve/2 得出相应频率 f（下转第 163 页）1602023 年第 6 期1）创新性的引入 CAN 总线及 RS485 总线两个通信系统，分别负责不同的通信需求及接口功能，且两套通信电路完全隔离，独立工作，均设置有过流及过压保护，通信总线的可靠性及精准性得到保障。2）依据监控系统的功能要求及总体方案设计，对下位机、通信系统、人机交互等软硬件架构进行搭建，并制定了故障判断及应急处置工作流程，明确了故障检测及精准定位的实现方案。3）系统能够很好的完成全流程的在线监测，自动进行地址分配、信息采集传输及研判，在识别出故障信息后能够根据故障类型及位置发出紧急处置指令，并在主机界面显示故障信息，制定故障处置建议，指导维修维护，且系统识别的故障类型及位置与实际情况相符，检测精准度高，达到了预期目的，具备推广应用价值。参考文献1侯永天.带式输送机监控系统研究与设计D.沈阳：沈阳工业大学，2021.2陈志军.灵新煤矿综采工作面视频监控系统应用优化与探索J.煤炭科学技术，2021，49（S1）：146-149.3李涛.带式输送机运行状态智能监控系统研究D.西安：西安建筑科技大学，2020.4陈乾.基于以太网的带式输送机监控系统下位机的设计与实现D.天津：天津工业大学，2019.5杨祥.矿用胶带输送机监测监控及故障诊断系统的开发D.太原：太原理工大学，2019.6张楠.塔山选煤厂带式输送机伤人自动化保护装置J.煤矿安全，2018，49（11）：110-113.7向秀华.煤矿带式输送机智能故障诊断方法的研究D.徐州：中国矿业大学，2017.8靳华伟，张新，王传礼，等.煤矿带式输送机监测系统设计及仿真实验J.安徽理工大学学报（自然科学版），2017，37（1）：44-48.（编辑：王婧）Design of Online Monitoring System for Belt Conveyor and Research on Fault DetectionTechnologyZhang Bin（Shanxi Fenxi Yixing Coal Company Limited,Xiaoyi Shanxi 032300）Abstract:In view of the problems of low reliability,low accuracy of fault location,low efficiency of signal transmission and cost of beltconveyors in mines,an online monitoring system for belt conveyors based on two communication systems,namely CAN bus and RS485 bus,is designed and the hardware and software architecture of the lower computer,communication system and human-machine interaction isbuilt.The workflow for fault determination and emergency response is formulated,and the realisation plan for fault detection and precisepositioning is clarified.The test and application results show that the sy