皮帶輸送機節能變頻控制系統的應用

王譜棟

(山西焦煤 西山煤電(集團)公司 東曲煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

皮帶運輸機作為煤礦生產中重要的連續運輸設備，確保其安全、可靠、高效、節能運行對于提升整個煤礦的生產效率及經濟性具有重要意義[1-4]。隨著全國煤礦規模及智能化程度的不斷提高，運輸距離長、運煤量大、皮帶速度高、更大功率的高性能皮帶機的應用也愈加廣泛，而由此帶來的電能損耗增大及效率低下問題凸顯，因此針對皮帶機運輸系統的節能設計顯得尤為重要。

受井下煤質及采掘量動態變化的影響，煤礦開采的不均衡性較大，在不同時間段皮帶運輸機的實際運量存在較大波動。目前國內大多數皮帶機運輸系統仍采用恒功率運行方式，當皮帶機處于空載或輕載狀態時，皮帶機驅動電機的有功做功較小，使得電機運行效率降低，造成大量的電能耗費。部分采用變頻器啟動的皮帶機運輸系統并未充分利用變頻器的變頻調速特性，無法將運煤量與帶速相匹配進行連續調節，變頻器只起到了軟啟動作用，無法達到節能效果。針對上述問題，本文結合傳感器及變頻調速技術設計了一套以PLC為控制核心的皮帶輸送機節能變頻控制系統。該系統通過傳感器自動識別當前煤量，并由PLC通過煤量實時調節電機功率，實現皮帶機運輸系統帶速與煤量的合理匹配與變頻調速，從而有效提高皮帶運輸機的運行經濟性[5,6]。

1 皮帶輸送機節能變頻控制系統總體方案設計

本文所設計的皮帶輸送機節能變頻控制系統是在恒頻率控制系統基礎上將煤量、電機功率及帶速進行合理匹配從而實現帶速隨煤量變化連續動態調節，系統主要功能如下：

(1) 節能運行功能。變頻控制系統可通過煤炭運載量動態調整驅動電機輸入電源頻率，從而實現皮帶運輸機的變頻調速，有效降低功率損耗，實現節能運行。

(2) 遠程通訊功能。系統通過工業以太網及Profibus通訊協議構建遠程通訊網絡，并通過光纖交換機實現全系統各類數據及控制指令的上傳下達。

(3) 上位機監控功能?？刂葡到y可通過上位機對皮帶運輸機的煤量、帶速、電機電流等主要運行參數及通訊、故障報警、保護等各項系統狀態進行實時監測，并對整個運輸過程通過上位機進行管理、統計及分析。

(4) 綜合保護功能?？刂葡到y通過對綜合保護裝置的設計實現對皮帶輸送機皮帶跑偏撕裂、溫度過高、超速打滑、堆煤、煙霧超量、電機故障等狀況的實時監測及報警，同時系統還具備拉線急停、閉鎖急停和沿線查詢等功能。

根據上述對控制系統功能的分析，本文采用模塊化思想對整個控制系統進行架構，按照不同功能將系統劃分為PLC主控模塊、上位機監控模塊、數據采集模塊及執行單元模塊4大部分，主要包括PLC、監控計算機、各類傳感器及綜保裝置、變頻器等設備，系統整體結構如圖1所示。

PLC主控模塊為該系統的控制核心，PLC通過工業以太網和Profibus通訊協議分別與上位機和執行單元模塊中的變頻器進行通訊，用于實現智能變頻調速、運行數據采集上傳、控制指令下達等控制功能。上位機監控模塊中的人機交互界面可對皮帶運輸機各項運行參數實時顯示，并實現故障報警、數據分析統計、遠程控制等功能。數據采集模塊主要由帶速傳感器、皮帶秤及綜合保護裝置組成，對皮帶輸送機的帶速、煤量兩個關鍵參數進行實時采集，綜合保護裝置內部集成了溫度、煙霧、跑偏、撕裂、電流等各類傳感器，在對皮帶機運行數據采集的同時還起到綜合保護作用。執行單元模塊主要由變頻器組成，變頻器通過接收PLC主控模塊的頻率控制信號對皮帶機驅動電機輸入電源的頻率進行調整，從而實現變頻調速功能[7,8]。

圖1 皮帶輸送機自動控制系統總體結構圖

2 硬件方案設計

本控制系統的硬件設計部分主要包括PLC主控器、監控上位機、變頻器、帶速傳感器、皮帶秤、綜合保護裝置的選型及設計，變頻控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2 變頻控制系統硬件結構圖

PLC主控器是該控制系統的核心硬件，其模塊的合理選型是保證系統控制精度及參數采集可靠性的關鍵。本系統選用西門子S7-1500系列可編程控制器，其中央處理器選用1513-1PN型通用CPU模塊。S7-1500系列PLC最高可支持32個模塊同時運行，完全滿足本控制系統的性能要求。電源模塊采用PM 70W 120/230VAC為CPU、輸入輸出模塊、通訊模塊等提供DC 24 V電壓，保證主控器穩定運行。除CPU及電源模塊外，主控器還需對各類傳感器的模擬量信號及上位機下達的數字量輸入信號傳送，因此還需設置模擬量及數字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)。

該控制系統給每臺皮帶輸送機配備3臺變頻調速裝置用于執行PLC的變頻指令從而實現皮帶機動態調速。變頻調速器選用三菱TMdrive-MVGC型高壓變頻器，其額定容量選用2 000 kVA、過載能力200%，額定輸入電壓為三相50 Hz、10 kV交流電壓，額定輸出電壓為6 kV，其變頻工藝采用變頻功率單元多級串聯及二極管整流橋，顯著提高了器件的功率因數及可靠性。變頻器結構采用一體化設計，內置輸入干式隔離變壓器，可為電機提供更好的保護。

本文選用ICS-30A型皮帶秤對皮帶運輸機運煤量進行動態識別，ICS-30A的稱重范圍為1 t/h～4 000 t/h，內置4個高精度稱重傳感器，測量精度可達±2.5%，可滿足本系統對煤量參數的采集與識別需求。帶速傳感器選用GSC4礦用本安型皮帶機速度傳感器，其測量精確度可達0.1%，靈敏度為1%，可實現對皮帶機運行速度的精確采集。

本文選用KHP128型礦用帶式輸送機綜合保護裝置對皮帶機設置堆煤、溫度、速度、跑偏、煙霧、撕裂、雙向急停開關、防爆電磁閥八項保護，KHP128還具備集中控制功能，可對全線系統狀態進行實時監控及皮帶機的正常啟停操作，保證皮帶機安全運行。

3 軟件方案設計

本系統的PLC主控程序主要需實現帶式輸送機的正常啟停、運行狀態實時監測及變頻調速功能，PLC主控程序流程如圖3所示。當主程序運行時，系統首先對皮帶輸送機進行啟動預警并設置自檢保護，當系統保護正常時控制皮帶機啟動，隨后由PLC主控模塊執行參數測控子程序，對皮帶機進行帶速、煤量等參數監測，上位機對采集數據進行分析處理后向PLC發送控制指令執行調速控制，皮帶運輸機進入調速運行狀態。

圖3 PLC主控程序流程圖

參數測控子程序主要由各類傳感器將帶速、煤量等重要參數傳輸至PLC，再由PLC上傳至上位機進行分析運算，最終由PLC控制器向變頻器輸出控制信號完成對皮帶運輸機的調速。參數測控子程序流程如圖4所示。

圖4 參數測控子程序流程圖

4 結束語

本文針對傳統皮帶輸送機控制系統的不足，以PLC為控制核心結合變頻節能驅動技術設計了一套控制精度高、可實現節能運行的皮帶運輸機節能變頻控制系統，通過傳感器實現了煤量的自動識別，并由PLC對變頻器進行高效控制從而實現皮帶機運行速度的動態調節，保證了煤礦運輸系統高效節能進行。