變頻節能技術在礦用帶式運輸機上的應用與研究

張冰峰，鄭鎖珍

（山西省節能中心有限公司，山西 太原030045）

引言

帶式運輸機作為煤礦的重要運輸設備，目前正在向著長距離、大容量、快速度的方向發展，其良好的穩定性和可靠性在煤礦運營過程中發揮了非常重要的作用[1]。帶式運輸機在煤炭運輸過程中存在很大的不均衡性，不能保證煤量時時相同，而不同運輸煤量下電動機的效率是不相同的；同時，目前大部分運輸機的運輸速度是恒定值，即便是在輕載或者空載情況下，運輸機也將始終以額定功率進行運輸，在這種情況下，電動機做功效率低，致使大量電能被白白損耗，增加了企業的生產成本[2]。帶式運輸機的電能消耗在煤礦運營成本中一直占有較高的比重，因此，對帶式運輸機進行節能改造。

1 變頻調速節能控制系統整體方案設計

圖1所示為帶式運輸機變頻調速節能控制系統整體方案示意圖。整個系統由地面調度中心、井下PLC控制器、變頻調速單元、電子皮帶秤、帶速傳感器、料位計、帶式運輸機、CAN總線通信電路等組成。

圖1 帶式運輸機變頻調速節能控制系統整體方案示意圖

其中，地面調度中心包括上位機、數據庫服務器，負責對運輸機的帶速、煤量等信息進行實時在線顯示，同時具備數據存儲、報表打印、超限報警提示等功能；PLC主控制器承擔承上啟下的功能，負責接收來自檢測單元的數據信息，一方面進行智能分析處理，將其上傳給地面調度中心，另一方面根據處理結果輸出控制頻率來控制變頻調速單元調節速度、設備啟停等；檢測單元由帶速傳感器、電子皮帶秤、料位計組成，負責對運輸機的帶速、煤量信息進行監測，傳輸給PLC控制器，檢測信息皆為模擬量信號，需要進行轉換才能送入PLC模塊；變頻調速單元是執行設備，PLC控制器按照預先設定的控制策略輸出控制頻率，變頻調速單元負責接收來自PLC控制器的頻率控制信號，輸出對應的電壓驅動電動機運轉，從而實現帶式輸送機的各種調速功能。

2 變頻調速節能技術具體原理分析

變頻調速節能控制系統主要是通過檢測單元對帶速、運輸煤量進行檢測，經反饋對比輸出合適的控制信號控制變頻調速單元，由變頻調速單元驅動運輸機電機來實現調速節能。公式（1）為帶式運輸機交流電動機的轉速表達式[3]：

式中：n為電動機的同步轉速，f為電動機的電源頻率，s為電動機轉差率，p為電動機定子繞組極對數。p是電動機的固有屬性，固定不變。

根據公式（1）可以知道，帶式運輸機電機的轉速n與其電源的工作頻率f是成正比例關系的，可以通過改變電機的電源工作頻率f來實現電機的調速。

我國的額定工頻為50 Hz，那么通過PLC控制器控制變頻調速單元可為運輸機電機提供工作頻率在0～50 Hz范圍內變化的電源，電機轉速可在此范圍內自由調節，具備很寬的調速范圍。

3 硬件設備選型分析

3.1 PLC控制器選型

PLC在帶式運輸機變頻調速節能控制系統中實現頻率控制、時序控制、邏輯控制和順序控制等功能。

本文采用西門子公司的S7-300系列PLC作為變頻調速系統的核心控制器，變頻調速單元與PLC控制器之間通過PROFIBUS總線方式來進行數據傳輸。控制系統包括CPU模塊315-2DP、電源模塊PS307、通訊模塊CP343-1。由于檢測單元皆為模擬量信號，故采用模擬量輸入模塊SM331。

3.2 電子皮帶秤、帶速傳感器、料位計選型

電子皮帶秤主要負責對運輸煤量進行檢測，將其安裝在帶式輸送機上距離機頭500 m處。本文采用ICS-XB型井下電子皮帶秤計量系統，該檢測系統計量精度高、功能強大、污染小，符合煤礦對設備性能的要求。當煤炭從秤體通過時，煤炭的重量會通過皮帶與稱重托輥作用于稱重傳感器，最終將檢測出的重量信號通過PLC控制器上傳給地面上位機，重量信號皆為瞬時煤量值。

帶速傳感器負責測量皮帶的運輸速度，用于實現速度信息反饋，為速度調節提供支持，同時實現低速打滑、超速等保護功能。將其安裝在下側皮帶與其緊密接觸。帶速傳感器選用HQ-SD40JW型速度傳感器。

料位計負責測量煤倉內原煤的儲量，通過非接觸方式對煤倉中原煤高度變化進行實時連續檢測，系統采用NIVELCO一體式超聲波料位計。

3.3 變頻調速單元選型

變頻調速單元作為執行輸出設備，考慮到安全性、經濟性及可靠性，系統選德國ABB公司ACS800變頻器作為驅動變頻調速單元，具體型號為ACS800-07，為高-高結構，實際參數為額定電流160 A，可承載負載為2 800 kW以內。變頻器采用直接轉矩控制方式（DTC），并通過主從控制方式來驅動帶式運輸機，采用一拖一的配置方式，由兩臺變頻器同步驅動，主從變頻器之間通過光纖通信方式進行控制信號傳輸，PLC控制器傳來的控制信號只需作用在主變頻器即可，主變頻器通過光纜將從變頻器的控制信號傳送過來。而變頻器帶有PROFIBUS/MODBUS485通訊接口，用于與PLC控制器實現雙向數據傳輸，變頻器將自身功率因數、輸出頻率、輸出電壓等參數傳輸給至PLC，PLC將頻率控制信號傳輸給主變頻器[4]。

4 PLC控制程序設計

采用編程工具STEP7對PLC控制器進行程序開發，編程方式為梯形圖方式。為提高程序執行效率，簡化開發過程，采用模塊化設計思路，由主程序來調用子程序進行控制。PLC控制程序由主程序、軟啟動控制子程序、帶速測量子程序、煤量測量子程序、變頻調速子程序、功率平衡子程序、緊急停車子程序、故障預警子程序、故障保護子程序等組成。其中軟啟動控制子程序、變頻調速子程序、功率平衡子程序、緊急停車子程序等是針對變頻器開發的。圖2所示為控制系統的主程序流程框圖。

圖2 主程序流程框圖

5 節能效果分析與總結

經過改造后，該變頻調速節能控制系統已經應用到本部礦井的帶式運輸機上，取得了很好的節能效果。改造之前，帶式運輸機一直以恒定速度進行工作，故每時每刻消耗的功率都是一樣的，皆為額定功率。經統計，改造前年消耗電量約為3 428 000 kW·h，改造后，運輸機帶速由實時運量來給定，年消耗電量約為1 945 600 kW·h，經計算，采用變頻調速控制系統后，年用電量比改造前降低了約1 482 400 kW·h，節能效率達到了約43.2%，效果十分明顯。