矿井带式输送机节能控制研究

矿井带式输送机节能控制研究
带式运输机作为煤矿井下运输系统的主要设备，承担着繁重的运输任务，针对带式运输机空载或轻载时的高耗能问题，结合电机变频技术、自动化技术、智能控制技术等，通过对带式运输机优化启动过程、调节运行速度、优化流程等多种节能技术，实现带式运输机的节能控制。

标签：带式运输机；变频调速；节能
1 引言
作为煤矿井下运输系统的主要设备，带式输送机承担着大量的运输任务，也是井下使用率最高的设备之一[1]。

因井下采煤过程存在不均衡情况，煤炭运输量随时间存在波动，且波动较大，所以带式运输机在运行过程中存在空载或轻载的情况，这就很容易造成带式运输机不必要的能量消耗，而且增加了不必要的设备磨损，减小了设备使用年限。

当前煤矿井下带式输送机多以恒定速率为主，当出煤时启动输送机，停采时停止输送机工作。

输送机速度无法实时与出煤量相匹配，容易出现空载情况，能效低下[2～3]。

为了改善这一问题，本文尝试从优化电机启停，引入变频控制，增加自动化、智能化控制等几方面来实现带式输送机与运煤量的实时匹配，增加能效比，实现节能控制目的。

2 优化电机启停流程
2.1 启停流程设计
井下运输地形复杂，带式运输机往往由多部设备联合使用，但受限于管理水平及工人素质，联合运转的输送机多是采用同步启动、同步停止，这样就造成了多部输送机空载的情况[4]。

为避免这种现象，对运输机启动流程进行优化，沿运煤方向，采用顺序启动的方式依次启动各个运输机。

根据出煤需要，首先启动运输机P1，P1启动后即可出煤，待煤炭到达P1尾部，相邻运输机P2启动，依此顺序启动P3、P4……PN，直至运输机全部启动；待停止出煤后，P1～PN依次停机。

带式运输机联合运行顺序启停流程如图1所示。

2.2 带式运输机联合运转控制电路设计
根据以上分析，设计PLC控制电路，根据现场运输机分布情况及运输速率，设计启动方式及时间，实现一键启动，顺序启动，顺序停止。

PLC可编程逻辑控制器有效融合了计算机、集中控制、通讯等多个领域的技术，与复杂的监控系统相比具有开发简单、周期短、体积小、维护使用简单、可靠性高等优点，尤其适用于煤矿井下恶劣的生产环境。

2.2.1 工作原理
如图2所示，系统初始化后，通过配合使用传感器设备完成基础参数收集，参数包括皮带跑偏传感器角度、压力值、皮带拉力值、转速差等，控制系统读取传感器数据，并与系统设定安全值进行对比分析，当传感器数据正常，则控制运输机根据设计依次启动；超出安全值则反馈故障数据及位置，并执行断电命令。

2.2.2 PLC程序设计
①程序语言：程序语言的选择滞后于PLC型号的选择，因此编程语言根据所选定的PLC决定，如西门子PLC-300采用STEP7 V5.5软件进行编程；
②功能实现：对系统功能的要求首先要明确系统任务内容、输入输出量的类型，需对统计数据进行哪种处理、处理方式以及结果等；
③数据存储：PLC控制系统涉及到一系列外部设备，以1s为间隔的数据存储频率向存储空间输送数据，不间断的监测反馈会产生大量的数据记录，在多台输送机联合运行的情况下，数据量会更加庞大，加之皮带跨度大、运行快，总体数据量会很大；
④物理结构：根据物理结构的不同，PLC有整体式和模块式两种，一般情况下，整体式被多用于小型PLC系统，且价格低廉，性价比较高；
⑤抗干扰能力选择：PLC 控制系统所处的工作环境要求其具有较强抗干扰能力，抗干扰能力考察贯穿于整个设计、安装和运维过程，良好的抗干扰能力才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性；
⑥通信能力：PLC的控制过程依赖于良好的通信能力，在通信能力的选定方面一定要预留后期增设的线路或端口，为后期增加系统能力预留空间。

3 控制系统结构设计
以上对带式输送机的运行进行了节能改造，但同时提出了更高的控制要求，这就需要对控制系统进行合理的结构设计，以满足节能控制的要求。

控制系统主要结构为PLC控制电路、保护传感器、功率采集模（下轉第152页）（上接第150页）块、变频控制系统等构成，PLC控制电路的选用要考虑整个控制系统的兼容匹配。

如图3所示，控制过程为：控制中心发出启动指令后，PLC控制电路初始化系统并收集保护传感器的各项数据，经分析计算后，以一定的电压及频率根据控制中心指令向变频器发出启动信号，实现对电机的变频控制，进而实现对运输机电机运行速度的控制。

控制结构中的速度传感器向PLC控制电路用于实时采集输送带的运行速度；
功率采集模块可实时监测变频器和电动机的电压、电流、功率等运行数据；输送带秤可实时监测皮带上的煤量；保护传感器可实时向PLC控制电路反馈输送机各项运行状态。

PLC控制电路将收集到的各类反馈数据上传到控制中心，控制中心以各项数据为参考依据，向PLC发出控制命令。

4 实践应用
节能控制系统投入使用后，仅电能使用就节约了23%；重载启动时皮带低速启动，避免了电机过热、皮带过度受力，减小了损伤程度，延长了设备的使用寿命，潜在节能控制明显。

与老旧系统相比，保护能力更加显著，有效避免了高压、过热、过流等现象，节能效果良好。

5 结束语
文章研究了带式输送机的节能控制技术，通过优化启停流程，引入变频调速技术，初步实现了带式输送机的节能控制，利用PLC控制电路实现了对复杂要求的简单控制，避免了因管理或工人素质导致的节能控制不可用的情况，现场实践表明，节能控制设计满足了节能要求，达到了自动化节能的目的。

参考文献：
[1]温凯瑞.带式输送机节能调速控制系统关键技术研究[D].北京：中国地质大学，2018.
[2]王中华.矿井煤流输送系统优化控制关键技术研究[D].北京：中国矿业大学，2014.
[3]牛祯祖.矿井带式输送机节能优化与智能控制系统研究[D].北京：中国矿业大学，2017.
[4]张沿江.带式输送机节能控制系统技术研究[D].西安：西安科技大学，2014.
葛喆鑫（1985- ），男，山西陵川人，2010年1月毕业于中国矿大（北京）机械工程及自动化专业，本科，工程师，从事机电技术研究工作。