變頻調速技術在選煤廠皮帶輸送機上的應用研究

尹占軍

（華陽南煤集團，山西 陽泉 045000）

引言

煤炭洗選作為煤炭生產過程中的重要環節，需要皮帶輸送機連續不斷運行方可完成，因此必須保證皮帶輸送機的運行可靠性，才能確保煤炭洗選的效率和質量[1-2]。控制系統作為皮帶輸送機的重要組成部分，其控制技術較為關鍵，一旦出現故障，將會導致整個皮帶輸送機工作的停滯，限制選煤廠的生產產量的提升，嚴重的可能出現安全事故，給企業帶來不可估量的經濟損失[3-5]。傳統的繼電器控制技術應用時存在線路復雜、可靠性差、控制精度不高等問題，現已不能夠滿足環保高效生產的要求[6]，因此開展變頻調速技術在皮帶輸送機中的應用研究。

1 皮帶輸送機結構組成

皮帶輸送機的主要作用是將待洗選的煤炭輸送至洗選位置之后將洗選完成的煤炭運出，不斷往復循環保證煤炭洗選的連續進行。選煤廠使用的某型號皮帶輸送機結構組成如圖1 所示，包括輸送帶、驅動電機、滾筒、張緊裝置、托輥等部件。輸送帶在驅動滾筒、轉向滾筒及托輥等的支撐下形成連續的煤炭輸送承載面；驅動電機輸出的動力首先傳輸至減速器進行降速增扭，以保證具有足夠的扭矩值實現滾筒的轉動；張緊裝置可以為傳送帶提供一定的拉力，使驅動滾筒與傳送帶之間產生足夠的摩擦力，實現輸送帶連續前移輸送貨物的目的。

圖1 皮帶輸送機結構組成

2 變頻調速系統方案

圖2 為變頻調速控制系統方案，變頻調速技術作為皮帶輸送機控制系統改進的基礎，主要依據PLC 邏輯控制器設計而成，控制系統布局設置為主從結構，采用雙閉環控制理念，檢測皮帶輸送機驅動電機的輸出軸端的轉速和位置，利用PID 控制器調節皮帶輸送機驅動電機的輸入頻率，達到皮帶輸送機驅動電機載荷輸出實時調整的目的。主從結構即主站和從站結構，主站設計在監控室，與上位機配合接收各個從站的信號，記錄顯示皮帶輸送機的實施運行狀態，滿足監控人員的工作需要。一旦皮帶輸送機運行過程中出現故障，變頻調速系統可以檢測得到故障的位置，啟動故障報警程序，及時停止驅動電機，使皮帶輸送機停止工作。從站中的核心部件為PLC、各類傳感器及相關附件，主要完成皮帶輸送機工作現場運行參數及環境條件數據的采集，也可以實現對皮帶輸送機的直接控制及對異常運行數據進行報警保護。

圖2 變頻調速控制系統方案

新設計的變頻調速控制系統具有較多的優勢：第一是具有實時顯示功能，系統設計了人性化的交互界面，可以實時顯示皮帶輸送機運行參數及故障信號，如轉速、軸溫、跑偏堆煤等信息；第二是防錯功能，依據PLC 邏輯控制器設計的控制系統，具有不同系統功能之間的連鎖閉鎖控制功能，具有很好的防止誤操作的效果；第三是具有軟啟動功能，即皮帶輸送機負載較大時，具備低加速度緩慢啟動的功能，可以保護設備，節省能耗；第四是故障保護功能，皮帶輸送機工作過程中一旦出現打滑、跑偏等故障，系統可以自動停車，等待維修。

3 系統硬件設計

3.1 PLC 選型

變頻調速控制系統中的可編程邏輯控制器的功能主要包括以下三點：第一是皮帶輸送機運行狀態數據的實時采集與控制，如驅動滾筒的實時溫度、實際運行工況、皮帶運轉速度等的運行狀態參數的采集，同時也能通過主站發送控制指令，實現皮帶輸送機的遠程控制；第二是故障診斷功能，可以對采集得到的皮帶輸送機運行參數實時數值進行邏輯分析處理，做出是否正常運行的判斷；第三是人機交互功能，主站采集得到的實時數據可以顯示在系統的上位機，監控人員能夠根據需要控制皮帶輸送機的啟停等功能。基于系統PLC 的功能要求，選取了西門子公司S7-200 系列的PLC，型號為CPU224XP，具有數據采集響應迅速、數據處理能力強、工作穩定可靠、抗干擾能力強等特點，與此同時，結構緊湊、指令豐富，足以滿足變頻調速控制系統的要求。

3.2 傳感器選型

傳感器作為變頻調速控制系統中的重要組成部分，是皮帶輸送機運行狀態數據采集的關鍵環節，根據控制系統功能及其皮帶輸送機的運行狀況，確定了傳感器類型及對應滿足要求的型號：速度傳感器型號為GSH4、溫度傳感器型號為GWD100、跑偏傳感器型號為GEJ30、縱撕傳感器型號為GVY1.5。

3.3 通訊方式配置

變頻調速控制系統通訊采用RS485 屬于半雙工通信，其傳輸距離長，可達1 km 左右，傳輸速度快，可達10 Mbps，滿足系統采集數據的實時傳輸要求。與此同時，RS485 通訊模式的抗干擾能力強、數據傳輸準確度高，內部同時設置了平衡驅動器和差分接收器，共模性很好。圖3 為RS485 通訊串口接線圖。

圖3 RS485 通訊串口接線圖

4 系統主程序設計

變頻調速主程序流程如圖4 所示，系統運行時首先進行初始化處理，自檢程序無誤之后開始張緊皮帶，以便為其運轉載物提供足夠的摩擦力。開啟系統通訊模塊，使皮帶輸送機工作現場實時采集得到的狀態信息可以快速傳輸至主站監控室，涉及皮帶轉速、滾筒溫度等。通過PLC 的數據處理及分析，可以實現皮帶輸送機速度的調整，重載低加速度啟動，輕載高加速度啟動，同時，也可以根據實時監測數值判斷皮帶輸送機是否出現故障，若出現故障及時報警停機，等待處理。

圖4 控制系統主程序流程

5 應用效果評價

為了驗證變頻調速技術在選煤廠皮帶輸送機運行過程中的應用效果，完成了某選煤廠皮帶輸送機控制系統的改進，跟蹤記錄了為期半年的系統運行情況。結果表明，變頻調速系統運行穩定可靠，滿足皮帶輸送機在線調速的要求。統計結果顯示，相較于皮帶輸送機改進之前，變頻調速技術的應用降低了近15%的設備故障率，提高了皮帶輸送機運行的可靠性；減少了近10%的設備運行維護成本，降低了煤炭遴選成本；節省了近8%電量消耗，為企業節約了能源消耗，增加了相同時間內煤炭的運輸總量，預計為企業新增經濟效益近100 萬元/年，取得了很好的應用效果。