摘要:为了解决大载荷、大运距带式输送机运行过程效率低的问题，对带式输送机控制系统进行分析，通过对带式输送机运量及带速的函数关系进行分析，确定了提升带式输送机效率的方法，同时给出了变频器的设计要求及方法，实现了带式输送机自动调速的功能，提升了带式输送机的运行效率，达到了优化矿井运输设备的目的。
关键词:带式输送机;控制系统;变频器;自动调速
0引言
我国地产资源丰富，但赋存条件较为复杂，随着我国开采年限的不断增加，煤层开采的对象由覆存较为简单的煤层，逐步向着覆存条件较为复杂的煤层转化，煤矿开采难度不断增加。带式输送机作为矿山重要的机械设备，现在的带式输送机运输能力不断加强，运输距离不断增加，承载能力不断提升，使得其工作性能不断被优化。但在实际工作中，由于不同时间段的运输煤量的不同，使得带时输送机在运煤量较大时运输效率较高，而在运输煤量较小时，带式输送机的工作效率就有所降低，但是在实际运行过程中，由于其速度是恒定的，所以其效率一直不会发生改变，这样就造成在运量较小，或空载状况下出现带式输送机运行效率低下的问题，因此对带式输送机运行效率进行优化十分重要［1－2］。此前众多的学者对带式输送机的运行效率有过一定的研究［3－4］。笔者对变频调速节能系统进行研究，通过不同运行状态下的运行速度进行调整，有效提升了带式输送机运行效率，为矿井带式输送机节能优化提供一定的参考。
1控制系统设计
带式输送机在进行长距离运输过程中，主要影响其运行功率的因素为运载量及带式输送机的带速，当运载量为一个定值时，此时随着带式输送机运行速度的增加，其工作效率逐步增大。同时随着运行速度的增大，带式输送机的功率消耗也就越大，所以降低带式输送机的速度能够在一定程度上降低其功率消耗。在运行状态下，降低带式输送机的运行速度，此时物料的线密度将会增大，此时的运输张力增大，所以为了保障带式输送机运行的稳定性，需要设计足够的带宽及带强以此来实现大运量的目的。在运行量较小时，此时的带宽及带强均会出现一定的浪费，此时降低带式输送机运行速度能够有效的实现变速节能的目的。带式输送机带速及运量间的函数关系如下式所示:v=Q3．6qm式中:Q为带式输送机的运量，kg;v为带式输送机运行速度，m/s;qm为最大物料线密度，kg/m。从公式中可以看出，当最大线密度不发生变化时，运量越大带式输送机的速度也就越多，当运载量为0时，此时的带式输送机运载速度也为0，但在实际运行过程在实际运量为0时运行速度并不能降低零，所以在设计过程中需要设定一个值，当运量低于设定数值时，此时的运行速度应当以某一最小值进行运行，以达到降能的目的。带式输送机运行速度及运量的函数调整为:v=Q3．6qm(Q＞Qmin)v=vmin(Q≤Qmin)为了实现随着运煤量变化而改变速度的目的，首先需要设计一个PLC控制器，控制器根据对皮带的信号进行采集、分析得出带式输送机的运煤量，根据负载情况进行决策分析，得出最佳的运行速度，达到实时调节电动机运行速度降低能耗的目的。首先对带式输送机的驱动方式进行选定，考虑到带式输送机为大距离、大载荷，所以带式输送机在进行启动或者急停时应当适当减小对电网的冲击及各部件的冲击载荷，所以对启动及急停的加速调节应当选定软起/软停驱动装置，目前的启动装置大致可分调速性液压耦合器驱动方式、永磁同步变频驱动方式、变频驱动方式及CST可控起停驱动方式。根据对不同驱动方式下的优缺点进行分析，结合实际地质情况发现在建设初期变频驱动方式虽然费用略高，但在后期的维护上费用会有大幅度降低，同时变频驱动装置能够实现连续调速，所以文中选定的驱动方式为变频驱动为节能控制方案。带式输送机的变频调速系统主要由控制单元模块、检测单元模块、执行模块组成，主要部件带速传感器、PLC控制器、皮带秤、人机对话装置及变频调速装置等。检测单元模块:主要用于将皮带秤采集到的运量信息及带速传感器采集到的带速信息转化为电流信号输送至PLC模块。控制单元模块:PLC控制器接收到检测信息后通过智能分析，实现带式输送机的启动停止、变频调速及功率平衡等功能。PLC控制器是系统控制的核心部件，其主要负责数据采集分析及输出，PLC控制器的主要组成部分有输入输出(I/O)，中央处理器，传感器、外接口及存储器等。由传感器采集带式输送机运行状态，由输出输入端口传输至CPU，CPU发出相应的指令，并由存储器进行储存。为保障系统的安全运行，文中采用双CPU冗余系统，通过容错计算实现双机控制，双CPU冗余系统如图1所示。执行单元模块:当变频控制器接收到PLC控制器发送的信号后，按照设定好的控制策略调整变频电压，从而调整电动机的运行速度，实现带式输送机的调速功能。变频调速控制系统的结构示意图如图2所示。设计的控制系统主要可以实现如下操作:①可以设定皮带机的频率，从而实现带式输送机的恒速运行;②能够实现智能控制，不需要手动调速;③可以实现上机位实时控制，通过网络传输交换数据。输出和输入滤波单元主要是对周围设备发出的干扰射频进行抑制，整流单元是将频率及电压的交流电转化为直流电的装置。直流滤波单元同样称为储能单元，用于整流器及负载间的无功缓冲。制动单元主要用于耗能制动，当直流母线的电压超过规定时，此时的制动晶体管导通，将直线电压降低至规定值。逆变单元是将直流电转化为交流电的装置［5］。
2变频调速装置设计
对变频调速原理进行分析，交流电机的转速表达公式表示:n=60(1－s)p式中:f为电动机的电源频率，Hz;n为电动机的同步转速，r/s;s为电动机的转速差率;p为电动机的极对数。对变频调速控制算法进行研究，目前控制算法主要为V/F比恒定控制方式、矢量控制方式及直接转矩控制方式。文中采取直接转矩控制方式为调速控制算法，直接转矩控制算法是通过检测电动机定字的电压及电流及空间矢量及定子磁场定向分析法得出异步电动机的数学模型［6］。带式输送机的皮带端头部布置3台电机，既要保持速度同步也要保障功率平衡，所以端头的三台电机不是相对独立的而是相互关联的，为了满足系统的速度同步和转矩平衡所以采用主从控制器分别控制彼此的控制器，1台变频器为控制速度的主传动，而剩余的变频器为转矩控制模式，速度与主电动机同步，根据主电机的转矩来判断3台电机的速度同步及功率平衡，控制原理图如图3所示。为了确保3台变频器的电机运行同步，所以在每2台变频器间布置PLC控制器，来实现变频器顺序启动，PLC控制器及变频器均安装在井口的配电室。对变频器的故障检测进行设计，应为变频器的主要功能包括单元过电压、短路接地保护及有欠电压等，所以当发生故障时变频器会立刻报警或者发出停机信号，此时信息传输至PLC控制器，通过分析进行决策保障其可靠性［7］。对上位机通讯进行设计，通过设计通讯增加系统的智能化，降低复杂的工作量，在上位机需要配置下述功能:实时显示运行状态的功能、显示电机的电流、显示电机的速度及故障查询［8］。对优化前后带式输送机的耗能情况进行对比，在改造前主斜井带式输送机全年用电量计算如下:W=3×1400×330×16×0．6×2=26611200(kWh)经过改造后带式输送机的输出功率约为710kW，所以耗电量的计算表达如下:W=3×710×330×16×2=22492800(kWh)节能效率约为15%，节能效果良好。所以在通过变频调速节能控制技术对主斜井带式输送机进行调速控制后，系统有良好的节能效果，保障矿井正常运转的同时，降低了矿井的电量消耗，产生了良好的经济效益和社会效益，达到了节能降耗的目的，符合国家节能环保政策的要求，设计效果较好。
3结语
为了解决带式输送机空载效率低的问题，文中对带式输送机控制系统进行分析，通过分析运量及带速的数学关系，给出了提升带式输送机效率的方法，通过对变频器进行设计，实现带式输送机变频调速的功能，达到节能降耗目标，实际节能效率达15%;并消除了常规启停方式下产生的机械冲击和大启动电流等情况，为矿井高效开采提供保证。
作者:冯俊宾 单位:西山煤电集团有限责任公司设备租赁分公司