皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用

許亞龍

（晉能控股裝備制造集團(tuán)華越機(jī)械有限公司奧倫膠帶分公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

皮帶輸送機(jī)是實(shí)現(xiàn)礦井連續(xù)輸送的重要設(shè)備，保證其安全、可靠、高效、節(jié)能運(yùn)行，是提高礦井整體收益和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[1]。目前，我國大部分的皮帶輸送機(jī)都是以恒定功率運(yùn)轉(zhuǎn)為主，當(dāng)皮帶輸送機(jī)在無負(fù)載或者負(fù)載較低的情況下運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)裝置的有效功率占比很少，從而導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)的工作效率下降，消耗了大量的電能。為了解決這一問題，本文采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，將傳感器和變頻技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了皮帶輸送機(jī)的節(jié)能變頻控制。該系統(tǒng)利用傳感器對(duì)當(dāng)前煤量進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)，并根據(jù)煤量的多少對(duì)電動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以達(dá)到皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中輸送帶速度和煤量的合理匹配和變頻調(diào)速，有效地改善了皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行節(jié)能性。

1 皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文提出了一種基于變頻調(diào)速控制的皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)，通過對(duì)煤量、電機(jī)功率、帶速進(jìn)行合理的匹配，使輸送帶速度隨著煤量的改變而不斷地調(diào)整，其主要作用有：節(jié)能運(yùn)行的效果。該變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)煤的實(shí)時(shí)載量對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使皮帶輸送機(jī)能夠進(jìn)行變頻調(diào)速，并能有效地減少能耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的。遠(yuǎn)距離通信功能。該系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)以及Profibus 通信協(xié)議，建立了一個(gè)遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)將皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行工況信息進(jìn)行采集并上傳。上位機(jī)的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以對(duì)輸送帶輸送機(jī)的主要工作參數(shù)，如煤量、速度、電機(jī)電流、通信、故障報(bào)警、保護(hù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并利用上位機(jī)對(duì)運(yùn)輸全過程進(jìn)行管理、統(tǒng)計(jì)和分析。全面的防護(hù)作用。該系統(tǒng)采用一體化的安全防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)皮帶輸送機(jī)輸送帶跑偏、帶面溫度過高、超速打滑、堆煤、煙霧超量以及電機(jī)失效等進(jìn)行故障實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，此外還具備拉線急停、閉鎖急停、沿線查詢等功能。

在分析了控制系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)上，提出了基于模塊化設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)思路，并將其分為PLC 主控模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行模塊4 部分，主要包括PLC 控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、各種傳感器、綜合保護(hù)裝置、變頻器等。

PLC 控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的控制中心，該控制模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)和Profious 通信協(xié)議與主機(jī)、執(zhí)行單元下達(dá)變頻調(diào)速、數(shù)據(jù)采集以及信息上傳等控制指令。上位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊的人機(jī)交互接口可以實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的各種操作參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，并可以達(dá)到故障報(bào)警、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)以及遠(yuǎn)程控制等效果。該系統(tǒng)包括皮帶速度傳感器、皮帶秤以及綜合防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶輸送機(jī)的帶速和煤量，其內(nèi)部還集成了溫度、煙霧、跑偏、撕裂、電流等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的全面保護(hù)。該執(zhí)行單元主要含有一個(gè)變頻器，該變頻器接收到PLC 主控模塊的頻率控制信號(hào)，調(diào)節(jié)皮帶機(jī)的輸入功率，達(dá)到變頻調(diào)速的目的。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的硬件裝置結(jié)構(gòu)主要由PLC 主要控制單元、監(jiān)控上位機(jī)、變頻器、帶速傳感器、皮帶秤、綜合保護(hù)裝置等組成，如圖1 所示，為變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

其中，PLC 的主控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，正確合理的選擇各模塊是保證控制精度和數(shù)據(jù)采集可靠度的重要因素[2]。該系統(tǒng)采用西門子S7-1500 系列可編程控制器，采用1513-1 PN 通用CPU 作為核心。S7-1500 系列PLC 可以同時(shí)支持32 個(gè)模塊的工作，達(dá)到了該系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。本系統(tǒng)的供電模塊為P70W120/230 V 交流電源，為CPU、輸入、輸出、通信模塊等提供24 V 直流電壓，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。除了CPU 和供電模塊之外，主機(jī)還需要接收各種類型的模擬量和來自主機(jī)的數(shù)字信號(hào)，所以還需要提供模擬過程的數(shù)字輸入和輸出模塊，這些模塊包括SM321、SM322、SM331、SM332 等。本系統(tǒng)為每一臺(tái)皮帶輸送機(jī)配有3 個(gè)變頻器，可根據(jù)PLC 的變頻器進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到皮帶輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)速效果。該變頻器選用三菱TMDrive-MVGC 型高壓變頻器，其額定容量為2000 kVA，過載能力200%，額定輸入電壓為50 Hz、10 kV 交流電壓，額定輸出電壓為6 kV，其變頻技術(shù)采用了多級(jí)串聯(lián)和二極管整流橋，使設(shè)備的功率因數(shù)和可靠性得到了極大的改善。變頻器整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有進(jìn)口干絕緣變壓器，能更好地保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

選擇ICS-30A 皮帶秤來動(dòng)態(tài)地識(shí)別輸送帶的運(yùn)煤量，ICS-30A 皮帶秤具有1～4000 t/h 的質(zhì)量范圍，內(nèi)部裝有4 個(gè)精密稱重傳感器，其測(cè)量準(zhǔn)確率可達(dá)到±2.5%，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤量參數(shù)的采集和識(shí)別。采用GSC4 礦用本安式皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器精度達(dá)到0.1%，靈敏度1%，能準(zhǔn)確地采集皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于保護(hù)裝置選擇KHP128 礦用皮帶輸送機(jī)綜合防護(hù)設(shè)備，對(duì)皮帶輸送機(jī)設(shè)置堆煤、溫度、速度、跑偏、煙霧、撕裂、雙向急停開關(guān)以及防爆電磁閥等八種防護(hù)措施，KHP128 具有集中控制功能，可對(duì)皮帶輸送機(jī)的正常啟停操作，確保皮帶機(jī)安全運(yùn)行。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

PLC 主控程序的主要內(nèi)容是對(duì)皮帶輸送機(jī)的正常啟停、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過變頻調(diào)速手段對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[3]，如圖2 所示，為PLC主控程序流程。在主程序運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行預(yù)警，設(shè)定自檢保護(hù)；在系統(tǒng)防護(hù)正常的情況下，對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行正常的啟動(dòng)，然后通過PLC 主控模塊進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，對(duì)輸送帶進(jìn)行帶速、煤量等參數(shù)的監(jiān)控，通過計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，然后將控制命令發(fā)送給PLC 進(jìn)行調(diào)速控制，使皮帶輸送機(jī)進(jìn)入調(diào)速工作狀態(tài)。

圖2 PLC 主控程序流程

參數(shù)測(cè)控子程序主要是通過各種傳感器將帶速、煤量等關(guān)鍵參數(shù)傳送給PLC 控制器中，然后通過PLC將所收集的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，最后經(jīng)由PLC 將控制信號(hào)輸出到變頻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的速度調(diào)節(jié)。圖3 為參數(shù)測(cè)量子程序的流程示意圖。

圖3 參數(shù)測(cè)控子程序流程

4 煤礦帶式輸送機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值討論

4.1 皮帶輸送機(jī)功率與帶速的關(guān)系

在煤炭開采和運(yùn)輸過程中，隨著產(chǎn)量的提高，輸送帶的送煤能力增大，能源消耗也相應(yīng)增大。以往的傳送帶裝置、減速器以及電機(jī)型號(hào)等都是固定的，運(yùn)轉(zhuǎn)速度也是不變的，這就不可避免地要消耗額外的電能。在皮帶輸送機(jī)中，最大的影響因素有兩個(gè)，即輸送能力和輸送帶速度。在不改變輸送能力的情況下，其功率與帶速呈正比例關(guān)系。這樣，在保證輸送能力的情況下，可以通過控制皮帶運(yùn)行速度來降低電機(jī)的功耗。

4.2 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的節(jié)能效果

假設(shè)皮帶輸送機(jī)的輸送能力為500 t/h，在改變輸送帶的速度后，每段輸送帶的煤量會(huì)發(fā)生變化。在相同的運(yùn)煤量條件下，隨帶速降的降低，每段長(zhǎng)度的物料質(zhì)量增加，皮帶裝載率增加，電機(jī)功耗降低。也就是說，在輸送相同品質(zhì)的煤時(shí)，減慢輸送帶速度，可使輸送帶的每一段距離達(dá)到額定工作狀態(tài)，并使設(shè)備電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力得到充分的發(fā)揮，從而減少能源消耗。由此可知，采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)合PLC 技術(shù)，可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，優(yōu)化輸送功率，達(dá)到節(jié)能效果。表1 中列出了具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 皮帶輸送機(jī)功率隨帶速變化情況

5 結(jié)語

對(duì)于原始皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的節(jié)能效果較差的問題，本文以PLC 作為控制核心，同時(shí)搭配變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一種皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有控制精度高、節(jié)能性好的特點(diǎn)，可以借助傳感器自動(dòng)辨識(shí)煤量的大小；同時(shí)通過PLC 控制變頻器，實(shí)現(xiàn)了輸送帶運(yùn)行速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效果，為煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)的節(jié)能效果提供了可靠保障。