帶式輸送機變頻智能驅動控制系統的設計應用

張 嘉

(山西焦煤能源集團股份有限公司 鎮城底礦，山西 太原 030000)

0 引 言

帶式輸送機作為煤礦井下主要的機電設備，擔負原煤運輸的重要任務。隨著，礦井采掘工作面延伸規模和生產強度的擴大，帶式輸送機正 向大運量、長距離、大傾角、大功率和多電機驅動方向發展；然而實際運行工況下，帶式輸送機會存在滿載、空載相互交替運行狀況，采取傳統的固定控制程序會使電動機同一頻率工作，消耗大量的電能，并且對輸送機皮帶的使用存在損害。為此，采用變頻器對帶式輸送機的電動機進行優化改造，調節不同的頻率，對不同的工況做出不同的策略，可以實現更加平穩節能地運行帶式輸送機，還可減少對皮帶磨損，提升運行效率。

帶式輸送機雖然可以達到運輸距離長、運輸量大的目標，但帶式輸送機占總設備能源消耗比例很大。在運輸過程中輕載和空載運行時間多，但無變頻器傳統控制，造成以重載功率設置輸送機的電動機狀態，若通過采用變頻技術，根據帶式輸送機煤炭裝載模式，控制輸送機的功率輸出，將有效提高工作效率，降低能耗，對煤礦開采運輸具有重要意義。因此采用煤量檢測技術智能控制變頻器對于提高帶式輸送機的性能具有重要意義。

1 變頻驅動控制原理

變頻器作為帶式輸送機系統的核心控制部分，由傳感器、控制器和執行元件組成。此系統采用西門子PLC進行控制，通過內部程序的調整，PLC輸出工頻信號至變頻器，變頻接收PLC控制信號，進行交直轉換，通過逆變器對電動機的電壓、電流進行控制。變頻器的使用可使電動機達到任意轉速，可做到根據煤量調整電動機轉速和功率，運輸效率得到優化。

帶式輸送機系統的優化在于根據煤量進行控制電動機功率變化。皮帶上煤量的多少由傳感器采集，包括壓力傳感器、位置傳感器、執行元件和控制器。主控制器采用西門子PLC，通過Modbus通信協議與變頻器通訊，同時PLC獲取電動機反饋的電流、電壓數據，在線調節變頻器。變頻器根據PLC的信號，改變電源的頻率、波形、電壓等，從而控制電動機的運行。通過變頻器對帶式輸送機的電動機進行控制可實現無級變速，可以最大程度地節約能源。

2 變頻驅動控制策略

通過設置運輸煤量與速度的匹配關系，對帶式輸送機進行變頻控制，目的在于提高輸送機的工作效率，減少能源的消耗，節約成本。

帶式輸送機的目標函數：

Pmin=Pr-Pc

式中:Pr為帶式輸送機的實際功率；Pc為帶式輸送機的額定功率；Pmin為帶式輸送機功率差。

帶式輸送機在運輸過程中的系統模型：

M={V,F,D}

式中：V為影響煤量變化的所有因素集合；F為輸送機狀態參數集合；D為隨著運輸長度變化的瞬時煤量分布函數。

根據控制關系，由傳感器獲取輸送機運輸煤量，對應檢測輸送機的運行速度，由速度與運煤量建立輸送機運輸模型，根據不同的運輸狀態包括空載、輕載、重載。輸送機由變頻器智能調整電動機功率，匹配最佳速度與運煤量模型。

帶式輸送機采用智能變頻控制主要由兩個過程的智能調速，首先帶式輸送機啟動與停止階段，由PLC發出啟動信號，帶式輸送機以3.6 m/s 的速度進行運行，接收到停止信號后速度降為 2.0 m/s；另外是在輸送機運行過程中，根據運輸煤量與輸送機功率相對模型進行變頻調速，輸送煤量越大帶式輸送機的輸出功率越大。然而也存在輸送機運輸煤量增加，電動機功率未提高的現象，此時帶式輸送機速度同樣也未提高，造成撒煤現象。因此在判斷煤量時必須檢測輸送帶的瞬時煤量。調速控制策略如圖 1 所示。

圖1 調速控制策略

3 變頻控制系統硬件配置

變頻智能控制驅動系統主要由PLC可編程邏輯控制器、人機交互設備、壓力傳感器、速度傳感器、供電保護設備等硬件組成。采用西門子PLC作為控制系統核心，接收傳感器數據，通過對瞬時煤量與功率的關系模型計算，由PLC發送數據給變頻器，實現在線調整變頻，控制電動機運行。如圖2所示。

圖2 控制系統硬件連接圖

帶式輸送機的各個采集點安裝在皮帶運行的轉載點，重點監控容易出現負載變化的區域，通過對壓力、速度的采集，實現電動機變頻運行，確保運行皮帶平穩地過度，減少磨損與故障率。

煤礦井下采用KTC101型控制保護系統，KTC101-Z 型主控變頻器，以及 KDW101 型電源箱，采用壓力傳感器檢測皮帶上煤流量與負荷變化情況，當輸送機皮帶上負荷發生變化，PLC接收到傳感器的信號，通過PLC既定程序處理，發送指令給變頻器，實現輸送機智能變頻調節。為了實現電動機變頻調節的準確性，變頻器與電動機匹配也是考慮的問題之一。因此，選用相匹配的電動機與變頻器，進行合理設置，以負載變化時的電機通過電流量去進行選擇，其運行方式主要采用“主-從”式去調節平衡，當故障發生時，在供電系統的回路中安裝快速熔斷器，當短路電流過載時能夠及時切斷電源，保護變頻器。

帶式輸送機實現變頻功能需要變頻器、PLC、上位機控制系統各部分連接組成，通過建立工業專用網絡，實現各個部分的通訊。在斜井提升過程中，由于皮帶運輸使用雙電機做功的模式，每臺電動機各自擁有獨立的變頻控制器，需在距離提升井口50 m 處設置配電室，使供電系統的 10 kV降壓為 0.6 kV，與皮帶電機電壓匹配后方可供電使用。

4 應用效果分析

將所設計的變頻智能驅動控制系統應用于煤礦項目中。系統實現了穩定運行，且針對啟動停止階段、負載變化階段等調控效果明顯，電動機調速平穩，啟動電流小，對整個供電系統沖擊較小。同時，系統的應用降低了輸送機運行的故障率，減少了維修人員工作強度。整體提高了帶式輸送機運行自動化程度，保證了帶式輸送機正常穩定運行。

帶式輸送機應用變頻系統后，功率消耗僅為原來的60% 左右，節能效果明顯。平均每臺電機可節省

功率 2.4 kW 左右，礦井每年的工作日按 300 d機算，則礦井每年可節省的電費為 300×24 h×2.4×1=1.728 萬元(電費按照 1元 /kW·h)，節能效果理想。

5 結 語

對帶式輸送機舊的工作狀態進行分析，通過使用PLC與變頻器，使用智能變頻驅動技術對輸送機電動機進行控制設計，通過對運煤量與功率的模型建立，分析不同運行狀態，建立了完善的變頻控制方案，實現了對輸送機平穩運行控制，降低了輸送機的故障率，提高了工作效率，為企業節支降耗提供了可參考的經驗。