朱履貝

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

帶式輸送機(jī)為工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，由于其運(yùn)輸距離長(zhǎng)、運(yùn)量大以及運(yùn)輸能力大等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)量的不斷增大，運(yùn)輸距離的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)單滾筒驅(qū)動(dòng)能力已經(jīng)不能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，從而推動(dòng)了輸送帶多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展。對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)而言，由于電機(jī)功率不平衡經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載損壞的故障發(fā)生。此外，帶式輸送機(jī)“大馬拉小車”的問(wèn)題也比較普遍，導(dǎo)致了電能的浪費(fèi)[1]。因此，急需在解決多電機(jī)帶式輸送機(jī)的功率平衡和節(jié)能問(wèn)題上進(jìn)行研究。

1 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)功率平衡控制策略研究

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)電機(jī)的布置方式可分為頭部驅(qū)動(dòng)、尾部驅(qū)動(dòng)以及頭尾驅(qū)動(dòng)等。其中，頭部驅(qū)動(dòng)和尾部驅(qū)動(dòng)一般為雙滾筒驅(qū)動(dòng)；頭尾驅(qū)動(dòng)一般為三滾筒驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，一般優(yōu)先考慮頭尾部驅(qū)動(dòng)，其次才為頭部驅(qū)動(dòng)或尾部驅(qū)動(dòng)。而且，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置方式需綜合考慮降低帶強(qiáng)這一指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，為減少工作面巷道的開(kāi)拓量，并提高后期對(duì)巷道維護(hù)的便捷性，一般主要采用以頭尾驅(qū)動(dòng)方式為主的雙滾筒帶式輸送機(jī)居多。本文將以雙滾筒帶式輸送機(jī)為例展開(kāi)研究。

經(jīng)理論研究可知，影響雙滾筒帶式輸送機(jī)功率平衡的因素可歸類為靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素。其中，靜態(tài)因素主要指的是帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，而且從理論上分析雙滾筒帶式輸送機(jī)的功率平衡；對(duì)于動(dòng)態(tài)影像而言主要包括有所選型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械特性、滾筒直徑的大小偏差以及輸送帶的剛性系數(shù)等[2]。

所謂雙滾筒帶式輸送機(jī)的功率平衡指的是，控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)負(fù)載對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配。鑒于帶式輸送機(jī)異步電動(dòng)機(jī)屬于多變量系統(tǒng)，為保證對(duì)異步電機(jī)控制的穩(wěn)定性和平衡精度，故采用矢量控制方式，其對(duì)應(yīng)的功率平衡控制策略如圖1所示。

圖1 雙滾筒帶式輸送機(jī)功率平衡控制原理框圖

如圖1 所示，對(duì)雙滾筒帶式輸送機(jī)中的兩電機(jī)劃分為主電機(jī)和從電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)之間的控制回路基于主從控制原理實(shí)現(xiàn)。其中，主電機(jī)所在主回路采用速度閉環(huán)控制原理，對(duì)帶式輸送機(jī)的整機(jī)速度進(jìn)行控制；從電機(jī)所在從回路采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制原理，根據(jù)主回路中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)從回路中從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行重新調(diào)整分配，從而實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)的功率平衡。

2 多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證多電機(jī)輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的有效控制，其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)為帶式輸送機(jī)的基本功能可有效運(yùn)行[3]。故，本節(jié)將針對(duì)多電機(jī)帶式輸送機(jī)對(duì)其功率平衡實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

要求所設(shè)計(jì)功率平衡控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的常規(guī)保護(hù)功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)以達(dá)到節(jié)能的效果。最重要的是，功率平衡控制系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)油壓進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)之間功率的平衡調(diào)整。故，設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖2 所示的總體原理框圖。

2.2 關(guān)鍵元器件及控制軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 關(guān)鍵元器件的選型

如圖2 所示控制箱中的核心控制器為PLC 控制器，結(jié)合當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用案例及綜采工作面的條件，確定選用S7-300 系列PLC 為核心控制器。根據(jù)功率平衡控制任務(wù)，對(duì)S7-300PLC 中關(guān)鍵部件進(jìn)行選型，包括CPU 型號(hào)為315-2DP、數(shù)字量輸入模塊為SM321、模擬量輸入模塊為SM331、數(shù)字量輸出模塊為SM322[4]。根據(jù)功率平衡控制系統(tǒng)常規(guī)保護(hù)功能和常規(guī)任務(wù)，需為其配置各種關(guān)鍵傳感器，如表1 所示。

圖2 功率平衡控制總體設(shè)計(jì)原理框圖

表1 傳感器選型及參數(shù)

2.2.2 功率平衡控制流程的設(shè)計(jì)

多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率平衡功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)為設(shè)備能夠正常、平穩(wěn)啟動(dòng)，其主要判斷依據(jù)為帶式輸送機(jī)主、從電機(jī)的電流值。對(duì)于單個(gè)功率平衡控制系統(tǒng)而言，其對(duì)應(yīng)的控制流程如圖3 所示。

在實(shí)際控制中，核心控制器中已根據(jù)帶式輸送機(jī)的額定運(yùn)量對(duì)兩個(gè)電機(jī)的功率進(jìn)行合理分配。當(dāng)在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)電機(jī)電流值增大，即其運(yùn)輸功率增大，此時(shí)，還需對(duì)輸送帶的實(shí)時(shí)運(yùn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，排除電機(jī)出現(xiàn)故障的情況[5]。若，電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)則是由于運(yùn)量增大而導(dǎo)致電機(jī)功率增大，為保證兩電機(jī)仍然在原分配比例下運(yùn)行，需增大另一電機(jī)的運(yùn)輸功率，從而實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)運(yùn)行的功率平衡。

3 功率平衡控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖3 單個(gè)系統(tǒng)功率平衡控制流程圖

本文所設(shè)計(jì)功率平衡控制流程主要是解決雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于功率無(wú)法實(shí)施合理分配所導(dǎo)致的電機(jī)燒毀事故的發(fā)生和帶式輸送機(jī)耗能嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，將通過(guò)對(duì)功率平衡控制系統(tǒng)應(yīng)用后電機(jī)出故障的次數(shù)和節(jié)能效果進(jìn)行綜合試驗(yàn)。

3.1 功率平衡問(wèn)題的解決

經(jīng)實(shí)踐表明，功率平衡控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之前，在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)雙滾筒帶式輸送機(jī)電機(jī)出現(xiàn)故障的次數(shù)為5 次；而采用功率平衡控制系統(tǒng)后，在試運(yùn)行一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)電機(jī)未出現(xiàn)故障。

3.2 節(jié)能效果

本文所研究帶式輸送機(jī)輸送帶的長(zhǎng)度為1.5 km，在滿載狀態(tài)下的運(yùn)量為4 000 t/h，在非滿載狀態(tài)下的運(yùn)量為2 000 t/h。工作面每年需運(yùn)輸煤炭總量為1 300 萬(wàn)t，根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸可粗略估算，設(shè)備滿載運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約占總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的60%，對(duì)應(yīng)電機(jī)功率為551 kW，非滿載運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約占總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的40%，在傳統(tǒng)控制策略下對(duì)應(yīng)電機(jī)功率為374 kW，采用功率平衡節(jié)能控制策略后對(duì)應(yīng)電機(jī)功率為246 kW。滿載運(yùn)行時(shí)間為13 000 000 t÷4 000 t/h×60%=1 950 h，非滿載運(yùn)行時(shí)間為13 000 000 t÷2 000 t/h×40%=2 600 h。

結(jié)合以往生產(chǎn)實(shí)踐，經(jīng)統(tǒng)計(jì)每年的耗電量為：551 kW×1 950 h+374 kW×2 600 h=2 046 850 kWh。

當(dāng)帶式輸送機(jī)采用功率平衡控制系統(tǒng)后，每年的耗電量為：551 kW×1 950 h+246 kW×2 600 h=1 760 850 kWh。按照每度電價(jià)為0.5 元/kWh，則，每年可節(jié)約14.3 萬(wàn)元。此外，電機(jī)故障次數(shù)的減少可直接降低維修費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著工作面生產(chǎn)能力的增加，為匹配運(yùn)輸能力需采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)。若解決不好多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)功率平衡問(wèn)題容易導(dǎo)致電機(jī)燒毀。采用適量控制方式可實(shí)現(xiàn)雙滾筒帶式輸送機(jī)電機(jī)的功率平衡控制，并實(shí)現(xiàn)其節(jié)能運(yùn)行。