皮帶運輸機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

謝明明

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦選煤廠， 山西 古交 030205）

引言

皮帶運輸機(jī)（簡稱“皮帶機(jī)”）作為煤礦主要運輸設(shè)備，其能耗量隨運輸距離及運輸量的增加而不斷增大[1-3]，因此研究針對皮帶運輸機(jī)的節(jié)能技術(shù)及手段對于提高煤礦開采效率，實現(xiàn)節(jié)能減排要求至關(guān)重要。由于很多皮帶機(jī)采用恒轉(zhuǎn)速運行方式，皮帶機(jī)以額定功率恒定運行，而井下采煤量時刻發(fā)生著變化，當(dāng)采煤量較小時，皮帶機(jī)處于輕載甚至空載狀態(tài)，以恒定轉(zhuǎn)速運行的皮帶機(jī)此時電機(jī)做功效率較低，同時磨損增大，不僅會造成大量的電能損耗，還存在過熱甚至起火等安全隱患。目前通過變頻器實現(xiàn)對皮帶機(jī)的軟啟動及變頻調(diào)速是解決這一問題的主要手段。但是皮帶機(jī)的帶速仍需人工通過運載量的實時改變進(jìn)行確定，判斷誤差較大，無法實現(xiàn)對帶速的連續(xù)調(diào)節(jié)。

通過上述分析可以看出，根據(jù)實際生產(chǎn)情況對煤量進(jìn)行自動識別，并以此控制變頻器輸出對電機(jī)功率進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)帶速與運載量的合理匹配及自動調(diào)速控制是實現(xiàn)煤礦皮帶機(jī)智能化節(jié)能運行的關(guān)鍵。針對上述問題，本文采用變頻控制技術(shù)對皮帶機(jī)電機(jī)進(jìn)行軟啟動控制及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并通過傳感器對皮帶機(jī)的運載量進(jìn)行自動識別監(jiān)測，最終由主控器控制變頻器的輸出對電機(jī)功率進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)皮帶機(jī)的自適應(yīng)調(diào)速控制，從而有效提高煤礦皮帶機(jī)的運行節(jié)能性及智能化程度。

1 變頻節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

本文所設(shè)計的皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對煤量的自動監(jiān)測識別，并通過負(fù)載變化量對皮帶機(jī)帶速進(jìn)行自適應(yīng)自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)節(jié)能運行。變頻控制系統(tǒng)具體功能如下：

1）皮帶機(jī)軟啟動及變頻調(diào)速控制。系統(tǒng)通過對變頻調(diào)速裝置的設(shè)計實現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動，從而有效減小電機(jī)啟動電流；系統(tǒng)通過控制器控制變頻器輸出，從而實現(xiàn)對皮帶機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)節(jié)。

2）皮帶機(jī)運煤量及運行狀態(tài)實時監(jiān)測。系統(tǒng)通過傳感器與控制器實現(xiàn)皮帶機(jī)運煤量的實時采集與自動識別，同時可對皮帶機(jī)撕裂、跑偏、堆煤等故障情況進(jìn)行實時監(jiān)測及報警。

3）具備自動及手動兩種控制模式。系統(tǒng)可根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控軟件對皮帶機(jī)啟停及調(diào)速進(jìn)行自動控制，同時可無擾動切換至手動模式，通過遙控器控制及就地操作方式對皮帶機(jī)控制進(jìn)行手動操作。

4）智能化人機(jī)交互平臺。系統(tǒng)通過對控制軟件及人機(jī)交互界面的設(shè)計實現(xiàn)對皮帶機(jī)煤量、變頻器運行參數(shù)、皮帶機(jī)運行狀態(tài)及故障報警等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時直觀顯示，并具備數(shù)據(jù)管理、存儲等功能。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)主要功能的分析，本文采用模塊化思想對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控平臺、PLC 主控單元、變頻器驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)采集單元及通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成，系統(tǒng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

上位機(jī)監(jiān)控平臺主要包括智能人機(jī)交互界面及操作指示臺，用于對皮帶機(jī)運行數(shù)據(jù)分析監(jiān)測及控制指令的下達(dá)。本文選用PLC 可編程控制器作為系統(tǒng)控制核心，用于接收來自數(shù)據(jù)采集單元的模擬量參數(shù)，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)實現(xiàn)通信，將控制指令通過Profibus 下達(dá)至變頻器用于實時調(diào)整皮帶機(jī)電機(jī)輸出功率及轉(zhuǎn)速。變頻器通過接收來自PLC 的變頻指令實現(xiàn)對皮帶機(jī)電機(jī)功率的變頻控制。參數(shù)采集單元主要由各類傳感器組成，其中對帶速及運煤量的采集是實現(xiàn)系統(tǒng)煤量自動識別及帶速自適應(yīng)變頻調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，對撕裂、跑偏、溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測可為皮帶機(jī)運行保護(hù)提供必要支撐。系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus 及RS485 總線構(gòu)成，分別用于上位機(jī)與PLC、PLC 與變頻器、PLC 與電量采集儀的數(shù)據(jù)交互。

2 硬件平臺設(shè)計

皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件平臺架構(gòu)主要包括PLC 主控單元、數(shù)據(jù)采集單元及變頻器的選型設(shè)計。

2.1 PLC 主控單元設(shè)計

本系統(tǒng)中PLC 主控器的主要功能分別為數(shù)據(jù)采集單元模擬量信號接收、電量采集儀電參數(shù)采集、上位機(jī)控制指令接收及變頻器模擬控制信號輸出。為了保證系統(tǒng)的控制精度及可靠性，本文選用西門子S7-1500 PLC 作為主控器，中央處理器型號選用1513-1PN，電源模塊型號選擇PM 70W 120/230 VAC。在輸入輸出模塊選型方面，AI 模塊型號選擇SM331，AI 模塊型號選擇SM331，DO 模塊型號選擇SM322，其輸入輸出端口數(shù)量可完全滿足本系統(tǒng)需求。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元主要由各類傳感器組成，主要用于對帶速及煤量的實時測量，以及對電機(jī)、變頻器等主要設(shè)備運行參數(shù)及皮帶機(jī)跑偏撕裂等故障進(jìn)行監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)

帶速及煤量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實時采集對于實現(xiàn)本文皮帶機(jī)帶速自適應(yīng)調(diào)節(jié)至關(guān)重要。本文選用GSD5-I型礦業(yè)速度傳感器對皮帶機(jī)帶速進(jìn)行測量，GSD5-I檢測范圍為0～5 m/s，線性度誤差精度為±2.5%，可滿足本系統(tǒng)測量需求。安裝位置選擇為感應(yīng)端靠近磁鋼的機(jī)架處，同時還具備低速打滑保護(hù)功能，當(dāng)保護(hù)動作時發(fā)出報警并發(fā)出皮帶機(jī)停止運轉(zhuǎn)信號。

目前針對煤量監(jiān)測的設(shè)備以皮帶秤為主，主要分為電子皮帶秤和核子皮帶秤兩種類型。電子皮帶秤安裝較為復(fù)雜，同時易受皮帶機(jī)振動、磨損及張力等因素影響導(dǎo)致測量精度較低。核子皮帶秤的原理是通過運載物料對射線強(qiáng)度的衰減比計算出皮帶機(jī)負(fù)荷，再乘以此時皮帶機(jī)的運行速度即可得出物料瞬時流量、累計量等參數(shù)，實現(xiàn)對煤量的非接觸在線連續(xù)測量。核子皮帶秤測量精度不受皮帶機(jī)狀態(tài)影響，精度更高，且安裝維護(hù)方便，可靠性高，因此本文選用核子皮帶秤對煤量進(jìn)行監(jiān)測，選用型號為HC-2000，在皮帶機(jī)正常運行時，其動態(tài)累計誤差≤±1%，計量及控制誤差穩(wěn)定控制在±2%以內(nèi)，性能穩(wěn)定，動態(tài)測量精度高，可完全滿足本系統(tǒng)對煤量監(jiān)測精度的需求。

2.3 變頻調(diào)速單元設(shè)計

本系統(tǒng)的控制對象為機(jī)頭三電機(jī)驅(qū)動皮帶運輸機(jī)，為了保證系統(tǒng)控制效果，系統(tǒng)采用一拖一運行方式，通過三臺變頻器對三臺電機(jī)進(jìn)行獨立控制。為了保證三臺電機(jī)功率平衡，使其輸出轉(zhuǎn)速同步，分別設(shè)置一臺主變頻器以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式作為主傳動運行，其余兩臺均采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模式以從傳動運行實現(xiàn)功率平衡，三臺變頻器均有PLC 主從控制單元進(jìn)行控制。為了保證系統(tǒng)控制效果，本文在變頻器選型上采用西門子6SR450 型無諧波變頻器對皮帶機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，其輸入特性優(yōu)良，功率因數(shù)較高，可避免由低功率因數(shù)導(dǎo)致的諧波、諧振等影響。同時其輸出波形標(biāo)準(zhǔn)度高，無需設(shè)置額外濾波器降低轉(zhuǎn)矩脈動，可大大降低電機(jī)損耗，從而提高皮帶機(jī)電機(jī)使用壽命。

3 軟件平臺設(shè)計

皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)除具備電機(jī)軟啟動、變頻調(diào)速及報警停機(jī)等基本功能外，還具備對運行狀態(tài)實時監(jiān)測保護(hù)及帶速自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，上位機(jī)搭載的智能化人機(jī)交互界面可用于對主要設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置及各類控制操作，運行參數(shù)及相應(yīng)曲線可在監(jiān)控平臺實時顯示，控制系統(tǒng)軟件具體功能如第305頁圖3 所示。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)皮帶運輸機(jī)變頻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將傳感器所采集的帶速及煤量作為反饋量，由PLC主控單元按照調(diào)速運算結(jié)果對變頻器進(jìn)行輸出頻率控制，從而實現(xiàn)皮帶運輸機(jī)帶速跟隨運煤量實時調(diào)整的自適應(yīng)帶速調(diào)節(jié)，同時具備皮帶運輸機(jī)運行狀態(tài)監(jiān)測功能，有效提高皮帶運輸機(jī)節(jié)能效果及智能化運行水平。