矿山皮带机节能增效工业电气解决方案.doc

矿山皮带机节能增效工业电气解决方案矿山皮带机节能增效工业电气解决方案北京欣博通能科传动技术股份有限公司目 录1、概述.32、矿山皮带机电控系统的现状.33、矿山皮带机工业电气节能增效解决方案的说明.34、矿山皮带机工业电气节能增效技术的描述.65、矿山皮带机工业电气节能增效解决方案的工程实施.116、矿山皮带机工业电气节能增效解决方案的总结.131 概述矿山皮带机作为煤矿企业关键的连接运输设备，具有长距离、大运量、连续运输等的优点。随着煤矿企业向高产高效矿井的发展，作为煤炭高效开采机电一体化技术与装备的关键设备，对矿山皮带机设备、自动化控制技术、节能运行等都提出了新的要求2. 矿山皮带机电控系统的现状矿山皮带机电控系统的现状及问题：1) 传统的矿山皮带机驱动技术不能很好的满足皮带机稳定、可靠、安全、节能运行的要求。2) 对矿山皮带机缺乏基于动态分析的控制技术，无法满足皮带机高性能工艺运行的需求。3) 现有的矿山皮带机控制系统的智能化水平低，难以实现系统层级地、对设备故障的智能化诊断、分析与记录功能，无法满足数字化矿山的需求。4) 矿山皮带机控制系统的自动化集成度低，不能很好实现工厂级的、皮带机设备与系统运行的遥测、遥控与遥信。5) 缺乏对皮带机节能运行的整体分析、评估与控制的解决方案。3. 矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的说明3.1 矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的设计依据与目的：针对矿山皮带机电控系统的问题现状满足矿山皮带机的生产工艺要求以及矿山设备的使用、操作、运行等规范、规程的要求提供完整的自动化控制与驱动的技术及系统，确保矿山皮带机高性能运行的要求提供矿山皮带机完整的节能增效运行的检测、诊断与控制技术。3.2 矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的系统构成:矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的系统构成如下图所示：因此，矿山皮带机节能增效系统解决方案，采用先进的自动化控制系统的层级模型（现场设备层、自动化控制层、操作与监视SCADA层、节能增效优化管理层等），以及不同层级间的工业通讯与网络技术（设备层数据接口技术、现场总线技术，控制层数据通讯技术、三网合一的数据传输技术），并实现了下述系统的集成：1) 皮带机综合检测与保护系统2) 高压配电及综保系统3) 高压变频传动系统4) 综合自动化控制系统5) 操作与监视的SCADA系统6) 工业数据通讯系统（工业以太网、现场总线、MODBUS等）7) 能源数据采集、分析与节能增效运行的优化与控制系统3.3 矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的主要功能:3.3.1矿山皮带机电气传动采用交流变频调速系统，实现皮带机的可控启动的技术要求，使系统具有：启动转矩大、过载能力强可在轻、重载等各种工况下实现可控的软起、软停功能可实现皮带机多点传动下的、运行全过程的功率平衡、速度同步可满足皮带机的低速验带功能可有效降低对皮带机机械设备与电气系统的冲击可有效的避免洒料与叠带问题3.3.2基于对皮带机运行的动态分析技术，即皮带机张力、速度的动态传播机理，并综合评估皮带机胀紧机构及制动机构的工作状态，创建皮带机空载、轻载及重载下的不同启动与停车控制模型，以及间隙负载运行、运行过程中皮带非正常震荡下的控制模型，并集成自动涨紧机构及制动机构在皮带机不同运行工况的控制功能，确保皮带机传动、尤其多点传动下的加载次序与时间控制策略，确保多点传动下的速度同步、功率平衡的真正实现，确保皮带机的安全可靠运行。3.3.3 集成皮带机的运行状态检测与保护，实现矿山皮带机的满足矿山设备规范的、安全的、保护与控制：对单皮带机设备，全面实现皮带机安全运行的各种保护功能，并具有友好的人机界面接口：温度保护：对电机绕组、轴承、滚筒等进行温度的检测、报警与保护烟雾保护：烟雾检测、报警及配合洒水的控制堆煤保护：堆煤的检测、保护与控制皮带的打滑、断带、超速保护：通过检测皮带机的转速实现相应的保护跑偏保护纵向撕裂保护对多皮带机组，除每台皮带机具有上述功能外，还具有顺煤流或逆煤流的启动与停止功能、有煤检测、仓位检测与联动控制、给煤机的联动控制等功能。3.3.4 提供矿山皮带机控制系统的完整的智能化解决方案：全面采用智能化、全数字、先进的自动化控制与传动设备，实现系统单元设备的故障自诊断与记录功能，提高了设备故障的排查与维护。通过全集成的通信与自动化网络，把分散的、单元设备的智能化诊断信息进行采集，并集中进行整体评估，从而实现系统级的、故障的快速诊断与解决。3.3.5综合使用工业通讯与网络技术：通过在系统的各个层级采用先进的网络通讯技术，实现包括皮带机综合运行检测信息、皮带机电气传动的高压配电综保信息、皮带机交流变频调速系统运行信息、皮带机过程控制与状态信息等等的传输与集成。同时，控制系统可与工厂的电话调度系统、工业电视系统相集成，构成一个完整的操作、调度、监视网络，从而最大程度的实现皮带机生产运行基于全厂级地遥测、遥控与遥信，满足企业对皮带机设备的管控一体化要求。3.3.6 上位计算机操作监视SCADA系统、方便地实现皮带机的集中操控与显示 ：灵活的SCADA系统的C/S、B/S等结构，方便实现全厂级地集中监控与调度要求 实现对矿山皮带机（组）的运行工艺数据进行集中管理、优化及传送 实现对矿山皮带机组的集中操控、提高了设备运行的各种工况下的应急反应 全面显示皮带运输机运输全过程、设备运行状态、电气传动状态（如皮带机运行速度、电机负载电流的显示等）以及自动化过程控制状态，实现矿上皮带机的透明化运行 实现矿山皮带机工艺运行过程的各类参数的归档功能，便于皮带机的运行工艺的优化、设备绩效的评估以及历史过程的查询等功能。满足生产所需的各种运输统计、管理及各种报表的输出等3.3.7实现矿山皮带机节能增效运行的整体解决方案：通过选择高效率的电气传动设备，实现皮带机传动系统在设备层及电气传动的系统级上的节能增效运行通过对皮带机整机运行过程的能耗与效率相关数据的分析、计算与评估，并基于相应的节能控制模型，确保矿山皮带机实现优化的、节能增效的工艺运行。具有矿山皮带机运行过程的能源数据的采集、归档与处理功能，用于皮带机运行的能耗分析，有助于发现问题或优化工艺运行，实现生产的节能增效。同时，通过与企业的ERP、MES系统的集成，进一步实现诸如皮带机运行的能耗绩效的分析与评估等功能。4矿山皮带机工业电气节能增效技术的描述4.1 采用高效能电气传动设备实现工业电气设备层或系统级的节能增效方案1) 与传统的矿山皮带机电气传动方案相比，交流变频调速系统本身就具有良好的效率特性。如与传统的液力耦合器相比，变频调速设备通过整流和逆变技术改变电动机电枢的电压和频率，除本身控制所需很少一部分能量消耗外，其余基本上就是与输出功率成比例的电力电子器件的损耗，因此变频调速可以在全转速范围内保持较高效率运行。而液力偶合器依靠泵和涡轮传递能量，在低速输出时，泵和涡轮的效率均下降，因此综合效率随转速的下降而下降，如下图所示：2) 采用交流变频调速系统后，由于全转速范围内功率因素高、20%以上转速功率因素大于0.95，同时起动电流是额定电流的1.2倍，不仅对电网冲击小，同时降低了相应的电路损耗，因此使整个皮带机电气传动系统具有了良好的节能运行特性。4.2 采用集中化与智能化的控制系统对皮带机进行精确控制，实现控制层的节能增效运行的控制皮带机控制系统具有的、最大程度基于PLC的集中化与智能化控制，可以实现电机运行时间的精确控制，减少皮带机传动电机空转而实现节能。同时通过集中地操控与诊断技术，实现系统的可靠运行，从而尽可能的减少停机，降低启动次数，实现节能控制。4.3 通过对矿山皮带机整机运行过程中能源数据的实时采集、计算与分析，在确保矿山皮带机工艺运行基础上，基于整机系统效率最大化原则，自动优化皮带机工艺运行参数，通过相应的矿山皮带机节能控制模块，实现皮带机在工艺层的节能增效的工艺运行。4.3.1 建立矿山皮带机基于节能增效运行的数学模型在满足矿山皮带机工艺运行的基础上，建立皮带机关于运量、运速、负载、能耗与效率的数学模型，通过该模型实现对皮带机节能增效运行的诊断、分析、评估与优化。4.3.2 对矿山皮带机运行过程中完整的能源数据的采集，是实现皮带机节能增效运行的前提通过智能化的皮带机自动化控制与传动设备、以及综合自动化通讯与网络技术，实现整机运行过程中包含下面广泛的能源运行数据的实时采集：高压配电的电能数据（通过高压配电柜的自动化综保系统的通信接口）高压交流变频调速系统的运行与传动数据（通过控制单元的现场总线接口）皮带机驱动电机的运行数据皮带机运行状态的综合保护数据皮带机涨紧机构与制动机构的运行数据与皮带机相连的上、下游工艺设备的运行数据（如料仓、给煤机等包括煤量、运量在内地各种数据）多皮带机组运行方式下各个皮带机的运行数据等等。4.3.3 矿山皮带机运行过程中的实时能效的分析与评估基于对矿山皮带机运行过程中完整的能源数据的采集，并通过矿山皮带机节能增效模型，可对皮带机运行能效进行集中评估与诊断：矿山皮带机节能增效数学模型是基于对整机运行的各个设备的能耗模型，并结合其实时运行数据通过实时计算，获得其实时能耗与效率数据，进而实现对整机系统的实时的能耗及效率的分析与评估，从而确定整机系统在不同负载与不同工况下运行的能耗与效率水平：以交流变频设备为例，其能耗及效率模型分析如下：交流变频设备的损耗可包括三部分：以变频设备额定负责下的损耗PL-100为参考值（该值可从相关设备的技术参数中获得）：第一部分，包括与负载（力矩、速度等）无关的固定的损耗部分，如冷却风机及其变压器的损耗、印刷电路板的损耗等等：第二部分：包括与输出电流相关的功率损耗部分，由两部分组成：一是与功率器件的通态损耗相关部分：二是与功率器件的开关损耗相关部分：因此，与输出电流相关的损耗：第三部分：包括与变频器的输出功率相关的损耗部分（主要是其中的整流部分）：变频器在负载运行点效率计算模型：变频设备在负载运行点的损耗：变频设备在负载运行点的输出功率：变频设备负载点的效率：即：考虑到：于是：4.3.4 矿山皮带机节能增效运行的优化通过对矿山皮带机运行过程中的实时能效水平的评估，当设备或系统运行效率低下时，矿山皮带机节能增效模型能自动进行优化计算，获得整机系统最佳的节能增效运行参数。矿山皮带机节能增效模型的优化是基于皮带机运行的实时能源数据、基于实时的能耗及效率计算获得的当前系统能效运行点，通过集成的皮带机流量连续控制参数及皮带机负载预测技术，确定出期望的皮带机运行的能耗及效率水平，即期望的系统能效运行点，并进而确定出相应的优化控制参数。与矿山皮带机节能增效模型的优化相关的重要的参数：当前的运量数据：输入参数；可通过上游工艺设备直接获得或通过皮带机负载间接计算获得。当前的运速数据：输入参数；通过皮带机的实时运行数据获得当前的负载数据：输入参量；通过皮带机驱动电机的实时运行数据获得当前的能耗及效率水平（当前系统能效运行点）：皮带机节能增效模型的中间值，即它既是基于当前运行数据按相关模型的计算值，同时又是进行优化的输入参量期望的能耗及效率水平（期望的系统能效运行点）：输出参数；皮带机节能增效模型优化后计算出的系统能耗及效率水平节能增效优化控制参数：输出参数；皮带机节能增效模型基于优化后的期望的系统能效运行点确定的控制参数节能增效优化的运量控制参考数据：输出参数；皮带机节能增效模型基于其集成的皮带机流量连续控制技术，参考上游设备的如料仓的料位信号，确定的最佳运量数据，可反馈给上游工艺设备，作为调节运量的参考数据4.3.5 矿山皮带机节能增效运行的控制矿山皮带机的节能增效运行的控制，是通过节能增效运行控制模块实现的。节能增效运行控制模块基于节能增效模型输出的节能增效优化控制参数，并通过不同的控制策略实现对皮带机的节能增效优化运行的控制节能增效控制模块依据矿山皮带机不同的运行工况，如启动/运行/停车工况，并结合负载特性在不同工况下的特点，采取不同的控制策略，这些控制策略可灵活选择，同时，系统提供不同控制策略结果的比对功能：可依据依据皮带机工艺运行要求，选择性能优先原则（如皮带机启动过程以确保皮带机动态张力为先原则）；可在满足工艺性能前提下，选择节能优先的原则，如平稳运行下依据不同的运量进行的基于调速的或甩电机的节能控制。本控制策略可通过集成皮带机上游工艺设备的运行状态实现联动控制，通过皮带机流量自动控制技术，实现运量的连续、均匀、稳定运输，从而提高皮带机的作业效率，降低系统的能耗。可采取实时统计的策略。通过实时统计及与历史数据的比对功能，可用于基于运行效率对设备运行状态进行评估，如对常出问题的皮带机托辊设备的故障发现与排查，等等。4.3.6 矿山皮带机节能增效运行的管理功能优化计算与实测结果的相互验证与校正功能，即皮带机基于节能增效模型优化的计算结果与通过对皮带机运行的相关能源数据的实时测量的数据相比较，并用比较结果对模型的相关参数进行自动校正。对节能量的实时计算：通过对优化前后系统实时能源数据的采集与计算，进行节能量地自动计算。5. 矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的工程实施北京欣博通能科传动技术股份有限公司是国内资深的专注于工业电气节能的工业自动化与传动领域的高端工业技术服务公司，拥有涵盖技术研发、方案创新、工程实施和技术服务的完整的业务体系，始终以客户需求为导向，以提升客户价值为己任，全方位拓展研发、设计、生产、集成业务，为客户提供最优质的一体化的工业电气节能的解决方案和一站式的技术工程与服务。矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的工程实施由下述阶段与过程组成：5.1 工程实施的“项目立项”阶段该阶段主要包含下述过程：1）客户需求调研、需求设计与需求审查过程2）项目实施可行性分析及可行性报告的审查过程3）项目的初步设计及其审查过程4）项目的技术方案及技术方案的审查过程5.2 工程实施的“项目实施”阶段该阶段主要包含下述过程1）合同标书及技术协议的评审过程2）项目计划的确定及其评审过程3）详细设计及设计审查过程4）应用功能的用户确认过程5）系统成套的生产、制造过程6）系统成套出厂前功能与设备测试过程7）系统成套现场安装、设备调试、功能调试及验收过程注1：其中包含在设计审查、出厂前调试、现场调试等过程中的内部审查与用户审查的联合评审制度。注2：矿山皮带机节能增效工业电气解决方案提供了标准的“矿山皮带机节能增效设计计算选型工具”（详见附件一）。该工具对矿山皮带机采用权威的皮带机传动效率计算数学模型，全面考虑各种主要阻力、附加阻力、主要特种阻力、附加特种阻力和倾斜提升阻力等各种阻力，并对皮带机的效率进行分析计算，并以此计算选型出符合节能增效运行的皮带机驱动电机等设备。5.3 工程实施的“项目技术服务”阶段该阶段主要包含下述过程咨询服务：包含矿山皮带机节能增效工业电气解决方案涉及到的下述内容的咨询1）矿山皮带机节能增效工业电气解决方案的整体方案咨询2）系统集成的组件功能、网络技