膠帶運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化

晉煜杰

(霍州煤電集團(tuán) 三交河煤礦 ， 山西 洪洞 041600)

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，煤炭需求量逐年增加，對(duì)煤炭采掘設(shè)備工作的節(jié)能要求也越來越高，引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注。膠帶輸送機(jī)作為煤炭井下采掘工作正常開展的重要運(yùn)輸設(shè)備，承擔(dān)著將井下煤炭輸送至地面儲(chǔ)存站點(diǎn)的任務(wù)[1]。眾所周知，煤礦井下只要開展采煤工作，膠帶輸送機(jī)就要進(jìn)入工作狀態(tài)，確保煤炭能夠準(zhǔn)時(shí)輸送，是工作時(shí)間最長(zhǎng)的設(shè)備[2]。目前使用的膠帶運(yùn)輸機(jī)采用的是恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)低載高速甚至空載高速的問題，導(dǎo)致膠帶運(yùn)輸機(jī)工作效率低下，電能的大量消耗，不符合煤炭綠色采掘的要求[3-6]。因此開展膠帶運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對(duì)于提高膠帶運(yùn)輸機(jī)的工作效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要的意義。

1 優(yōu)化策略分析

膠帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，高達(dá)5～7倍的額定電流不僅造成電能的浪費(fèi)，還存在燒毀電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)會(huì)使膠帶張力劇增，出現(xiàn)膠帶打滑、降低膠帶壽命甚至斷帶事故。軟啟動(dòng)作為電機(jī)的一種啟動(dòng)方式，能夠降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊程度。隨著膠帶機(jī)功率需求的增大，單電機(jī)啟動(dòng)功率較大，電機(jī)維護(hù)極為困難，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)大功率膠帶機(jī)的正常運(yùn)行，但是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率不平衡問題難以避免。目前使用的膠帶輸送機(jī)運(yùn)行模式落后、效率低下，優(yōu)化時(shí)可以采用增減電機(jī)數(shù)目或者調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)，考慮改進(jìn)的難易程度，優(yōu)先選用調(diào)速控制方式。變頻調(diào)速不僅能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的平衡，還能精準(zhǔn)控制電機(jī)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)的節(jié)能優(yōu)化控制。

2 變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)為的是實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)控制，其中涉及信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的處理分析、電機(jī)速度的控制等，達(dá)到膠帶輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行的目的。膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)通常是由多級(jí)膠帶機(jī)組成，基于此設(shè)計(jì)以DSP為控制中心，采集電機(jī)電流信號(hào)，結(jié)合負(fù)載及轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)據(jù)，使電機(jī)按最佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 DSP選型

系統(tǒng)要求具有較快的運(yùn)算速度，傳統(tǒng)的單片機(jī)和PLC不能滿足實(shí)時(shí)控制需求，因此選擇DSP控制器，型號(hào)為TMS320F2812。該控制器使用的是靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻高達(dá)150 MHz，配備性能很好的32位CPU，具有很好的數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)時(shí)控制性能。DSP控制器主要負(fù)責(zé)電機(jī)速度優(yōu)化計(jì)算和控制指令的生成。膠帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，DSP接收傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理得出電機(jī)的最優(yōu)運(yùn)行速度，發(fā)出控制信號(hào)至變頻器，調(diào)節(jié)電機(jī)的工作電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)整。

2.2.2 變頻器

變頻器需配置在膠帶輸送機(jī)電機(jī)位置，服役條件極為苛刻，要求其具有較好的防爆性能，選擇型號(hào)為BPJI-47/660的礦用防爆安全型交流變頻器。膠帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，結(jié)合工業(yè)實(shí)時(shí)電價(jià)和煤倉儲(chǔ)量，適時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。電價(jià)較高時(shí)，由DSP發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)經(jīng)變頻器降低膠帶機(jī)運(yùn)行速度，減少煤炭運(yùn)輸量；電價(jià)較低時(shí)，由DSP發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)經(jīng)變頻器提高膠帶機(jī)運(yùn)行速度，增加煤炭運(yùn)輸量。

2.2.3 膠帶秤

膠帶輸送機(jī)的運(yùn)載載荷由膠帶秤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得，其可靠性要求較高，結(jié)合其工作環(huán)境的復(fù)雜性，選擇了防爆型核子稱。該稱的具體參數(shù)如下：適應(yīng)于輸送物料的寬度為200～2 000 mm；輸送速度為0～5 m/s；平均無故障工作時(shí)間不小于1 500 h；允許的水分變化值為±10%；主機(jī)的溫度范圍為0～50 ℃；主機(jī)的濕度范圍為10%～90%；主機(jī)功率為250 W；電源要求為50 Hz，220 VAC。

2.2.4 煤倉料位計(jì)

煤倉的煤炭存儲(chǔ)量作為膠帶輸送機(jī)優(yōu)化控制過程中不可忽視的重要因素，若膠帶輸送機(jī)的輸送量較大將會(huì)出現(xiàn)超出煤倉上限的情況，導(dǎo)致煤炭溢倉，若膠帶輸送機(jī)的輸送量較小，將會(huì)影響煤炭輸送的連續(xù)性，因此需要借助煤倉料位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤倉的儲(chǔ)煤量。市面上料位計(jì)的種類較多，結(jié)合使用環(huán)境和具體要求，確定選擇超聲波料位計(jì)，具體參數(shù)如下：發(fā)射角度為50°；過程溫度為-30～70 ℃；STD300的環(huán)境溫度為-30～60 ℃；SBD-300的環(huán)境溫度為-25～60 ℃；分辨率為10 mm；模擬量輸出信號(hào)為4～20 mA電流；采用型號(hào)為SPDT的繼電器；電氣的防護(hù)等級(jí)為I級(jí)。

2.2.5 轉(zhuǎn)速傳感器

膠帶輸送機(jī)控制前提是了解膠帶輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，其中極為關(guān)鍵的是膠帶機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，因此需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中選擇磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)，工作原理是法拉第電磁感應(yīng)原理，能夠?qū)鞲衅鞑杉玫降臋C(jī)械轉(zhuǎn)速變量轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電量。膠帶輸送機(jī)初始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸送帶依靠摩擦將會(huì)驅(qū)動(dòng)靠輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)傳感器的鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳感器內(nèi)部磁路的磁阻出現(xiàn)波動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出正弦波信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大處理之后即可將靠輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為膠帶輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。

2.2.6 智能顯示及人機(jī)對(duì)話裝置

智能顯示及人機(jī)對(duì)話裝置作為膠帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互窗口，是顯示和控制膠帶輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)過程中選擇的具體部件參數(shù)如下：機(jī)箱的型號(hào)為IPC-810B；電源的型號(hào)為PS-7270(ATX)；底板的型號(hào)為IPC-6113LP4；系統(tǒng)的內(nèi)存為1 G；CPU的型號(hào)為E5200；硬盤的存儲(chǔ)量為250 G。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序

膠帶運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)主要包括膠帶輸送機(jī)的軟啟動(dòng)、多電機(jī)功率平衡控制以及變頻調(diào)速節(jié)能控制等模塊。膠帶秤檢測(cè)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中的物料數(shù)據(jù)，將其傳輸至系統(tǒng)的DSP控制中心，結(jié)合傳感器檢測(cè)得到膠帶機(jī)運(yùn)行參數(shù)，確定膠帶輸送機(jī)的最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，之后由DSP發(fā)出膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度信號(hào)，經(jīng)變頻器完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的節(jié)能控制。控制系統(tǒng)的主程序控制流程如圖2所示。

圖2 主程序控制流程

2.3.2 變頻調(diào)速程序

變頻調(diào)速程序的主要作用是接收DSP發(fā)出的調(diào)速控制信號(hào)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證膠帶輸送機(jī)工作狀態(tài)最優(yōu)，滿足膠帶輸送機(jī)工作節(jié)能降耗的要求，達(dá)到膠帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中高電價(jià)低運(yùn)轉(zhuǎn)，低電價(jià)高運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。具體流程如圖3所示。

2.3.3 緊急情況處理程序

膠帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果煤倉儲(chǔ)量超出上限值就會(huì)出現(xiàn)溢倉情況，相反如果煤倉儲(chǔ)量低于下限就會(huì)出現(xiàn)空倉情況，不利于膠帶輸送機(jī)的連續(xù)可靠運(yùn)行。緊急情況處理程序?yàn)榈氖潜苊馍鲜銮闆r出現(xiàn)，具體流程如圖4所示。

圖3 變頻調(diào)速控制流程

圖4 緊急情況處理控制流程

2.3.4 軟啟動(dòng)控制程序

膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)為了降低其對(duì)膠帶的沖擊作用，設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)控制程序，控制信號(hào)由DSP發(fā)出，采用設(shè)定好的速度斜坡曲線，借助變頻器實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的速度調(diào)整。具體的控制流程如圖5所示。

圖5 軟啟動(dòng)控制流程

2.3.5 功率平衡控制程序

為了解決多驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行功率不平衡的問題，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)正常運(yùn)行，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了功率平衡控制程序，以此保證膠帶輸送機(jī)穩(wěn)定可靠的工作。具體控制流程如圖6所示。

圖6 功率平衡控制流程

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證膠帶運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，將其應(yīng)用于三交河煤礦井下膠帶輸送機(jī)試運(yùn)行，進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)膠帶輸送機(jī)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、功率恒定、節(jié)能降耗的目的。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計(jì)，該系統(tǒng)的投入使用，輸送機(jī)膠帶的壽命延長(zhǎng)近20%，電機(jī)故障率降低近30%，膠帶輸送機(jī)的工作效率提升近15%，電能消耗降低約8%，為企業(yè)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益近150萬/a，取得了很好的應(yīng)用效果。