變頻節(jié)能技術(shù)在礦用帶式運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用與研究

張冰峰，鄭鎖珍

（山西省節(jié)能中心有限公司，山西 太原030045）

引言

帶式運(yùn)輸機(jī)作為煤礦的重要運(yùn)輸設(shè)備，目前正在向著長距離、大容量、快速度的方向發(fā)展，其良好的穩(wěn)定性和可靠性在煤礦運(yùn)營過程中發(fā)揮了非常重要的作用[1]。帶式運(yùn)輸機(jī)在煤炭運(yùn)輸過程中存在很大的不均衡性，不能保證煤量時(shí)時(shí)相同，而不同運(yùn)輸煤量下電動機(jī)的效率是不相同的；同時(shí)，目前大部分運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸速度是恒定值，即便是在輕載或者空載情況下，運(yùn)輸機(jī)也將始終以額定功率進(jìn)行運(yùn)輸，在這種情況下，電動機(jī)做功效率低，致使大量電能被白白損耗，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本[2]。帶式運(yùn)輸機(jī)的電能消耗在煤礦運(yùn)營成本中一直占有較高的比重，因此，對帶式運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

1 變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

圖1所示為帶式運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)整體方案示意圖。整個(gè)系統(tǒng)由地面調(diào)度中心、井下PLC控制器、變頻調(diào)速單元、電子皮帶秤、帶速傳感器、料位計(jì)、帶式運(yùn)輸機(jī)、CAN總線通信電路等組成。

圖1 帶式運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)整體方案示意圖

其中，地面調(diào)度中心包括上位機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，負(fù)責(zé)對運(yùn)輸機(jī)的帶速、煤量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線顯示，同時(shí)具備數(shù)據(jù)存儲、報(bào)表打印、超限報(bào)警提示等功能；PLC主控制器承擔(dān)承上啟下的功能，負(fù)責(zé)接收來自檢測單元的數(shù)據(jù)信息，一方面進(jìn)行智能分析處理，將其上傳給地面調(diào)度中心，另一方面根據(jù)處理結(jié)果輸出控制頻率來控制變頻調(diào)速單元調(diào)節(jié)速度、設(shè)備啟停等；檢測單元由帶速傳感器、電子皮帶秤、料位計(jì)組成，負(fù)責(zé)對運(yùn)輸機(jī)的帶速、煤量信息進(jìn)行監(jiān)測，傳輸給PLC控制器，檢測信息皆為模擬量信號，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能送入PLC模塊；變頻調(diào)速單元是執(zhí)行設(shè)備，PLC控制器按照預(yù)先設(shè)定的控制策略輸出控制頻率，變頻調(diào)速單元負(fù)責(zé)接收來自PLC控制器的頻率控制信號，輸出對應(yīng)的電壓驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的各種調(diào)速功能。

2 變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)具體原理分析

變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)主要是通過檢測單元對帶速、運(yùn)輸煤量進(jìn)行檢測，經(jīng)反饋對比輸出合適的控制信號控制變頻調(diào)速單元，由變頻調(diào)速單元驅(qū)動運(yùn)輸機(jī)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能。公式（1）為帶式運(yùn)輸機(jī)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式[3]：

式中：n為電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f為電動機(jī)的電源頻率，s為電動機(jī)轉(zhuǎn)差率，p為電動機(jī)定子繞組極對數(shù)。p是電動機(jī)的固有屬性，固定不變。

根據(jù)公式（1）可以知道，帶式運(yùn)輸機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與其電源的工作頻率f是成正比例關(guān)系的，可以通過改變電機(jī)的電源工作頻率f來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。

我國的額定工頻為50 Hz，那么通過PLC控制器控制變頻調(diào)速單元可為運(yùn)輸機(jī)電機(jī)提供工作頻率在0～50 Hz范圍內(nèi)變化的電源，電機(jī)轉(zhuǎn)速可在此范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，具備很寬的調(diào)速范圍。

3 硬件設(shè)備選型分析

3.1 PLC控制器選型

PLC在帶式運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)頻率控制、時(shí)序控制、邏輯控制和順序控制等功能。

本文采用西門子公司的S7-300系列PLC作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心控制器，變頻調(diào)速單元與PLC控制器之間通過PROFIBUS總線方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？刂葡到y(tǒng)包括CPU模塊315-2DP、電源模塊PS307、通訊模塊CP343-1。由于檢測單元皆為模擬量信號，故采用模擬量輸入模塊SM331。

3.2 電子皮帶秤、帶速傳感器、料位計(jì)選型

電子皮帶秤主要負(fù)責(zé)對運(yùn)輸煤量進(jìn)行檢測，將其安裝在帶式輸送機(jī)上距離機(jī)頭500 m處。本文采用ICS-XB型井下電子皮帶秤計(jì)量系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)計(jì)量精度高、功能強(qiáng)大、污染小，符合煤礦對設(shè)備性能的要求。當(dāng)煤炭從秤體通過時(shí)，煤炭的重量會通過皮帶與稱重托輥?zhàn)饔糜诜Q重傳感器，最終將檢測出的重量信號通過PLC控制器上傳給地面上位機(jī)，重量信號皆為瞬時(shí)煤量值。

帶速傳感器負(fù)責(zé)測量皮帶的運(yùn)輸速度，用于實(shí)現(xiàn)速度信息反饋，為速度調(diào)節(jié)提供支持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低速打滑、超速等保護(hù)功能。將其安裝在下側(cè)皮帶與其緊密接觸。帶速傳感器選用HQ-SD40JW型速度傳感器。

料位計(jì)負(fù)責(zé)測量煤倉內(nèi)原煤的儲量，通過非接觸方式對煤倉中原煤高度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)檢測，系統(tǒng)采用NIVELCO一體式超聲波料位計(jì)。

3.3 變頻調(diào)速單元選型

變頻調(diào)速單元作為執(zhí)行輸出設(shè)備，考慮到安全性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性，系統(tǒng)選德國ABB公司ACS800變頻器作為驅(qū)動變頻調(diào)速單元，具體型號為ACS800-07，為高-高結(jié)構(gòu)，實(shí)際參數(shù)為額定電流160 A，可承載負(fù)載為2 800 kW以內(nèi)。變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC），并通過主從控制方式來驅(qū)動帶式運(yùn)輸機(jī)，采用一拖一的配置方式，由兩臺變頻器同步驅(qū)動，主從變頻器之間通過光纖通信方式進(jìn)行控制信號傳輸，PLC控制器傳來的控制信號只需作用在主變頻器即可，主變頻器通過光纜將從變頻器的控制信號傳送過來。而變頻器帶有PROFIBUS/MODBUS485通訊接口，用于與PLC控制器實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，變頻器將自身功率因數(shù)、輸出頻率、輸出電壓等參數(shù)傳輸給至PLC，PLC將頻率控制信號傳輸給主變頻器[4]。

4 PLC控制程序設(shè)計(jì)

采用編程工具STEP7對PLC控制器進(jìn)行程序開發(fā)，編程方式為梯形圖方式。為提高程序執(zhí)行效率，簡化開發(fā)過程，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由主程序來調(diào)用子程序進(jìn)行控制。PLC控制程序由主程序、軟啟動控制子程序、帶速測量子程序、煤量測量子程序、變頻調(diào)速子程序、功率平衡子程序、緊急停車子程序、故障預(yù)警子程序、故障保護(hù)子程序等組成。其中軟啟動控制子程序、變頻調(diào)速子程序、功率平衡子程序、緊急停車子程序等是針對變頻器開發(fā)的。圖2所示為控制系統(tǒng)的主程序流程框圖。

圖2 主程序流程框圖

5 節(jié)能效果分析與總結(jié)

經(jīng)過改造后，該變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到本部礦井的帶式運(yùn)輸機(jī)上，取得了很好的節(jié)能效果。改造之前，帶式運(yùn)輸機(jī)一直以恒定速度進(jìn)行工作，故每時(shí)每刻消耗的功率都是一樣的，皆為額定功率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，改造前年消耗電量約為3 428 000 kW·h，改造后，運(yùn)輸機(jī)帶速由實(shí)時(shí)運(yùn)量來給定，年消耗電量約為1 945 600 kW·h，經(jīng)計(jì)算，采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，年用電量比改造前降低了約1 482 400 kW·h，節(jié)能效率達(dá)到了約43.2%，效果十分明顯。