帶式輸送機節能控制系統設計*

王 飛

(山西興能發電有限責任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

隨著科學技術的進步，礦山機械設備的性能不斷提升，但機械的用電消耗不斷增大，大電耗使得礦山的經濟成本增高，降低了礦山的經濟效益[1-2]。帶式輸送機作為礦山重要的機械設備，其工作性能的好壞直接關系著礦山煤炭的產量，現在的帶式輸送機逐步向著遠距離、大運量的方向進行發展，但隨著其性能的提升，其用電量的問題逐步成為礦山關注的問題，此前眾多學者對帶式輸送機的節能問題進行過一定的研究[3-4]。

為了降低帶式輸送機的電耗，筆者利用高壓變頻調速節能技術對B1400型帶式輸送機節能系統進行設計，使其可以根據實際的工作情況進行速度的合理選擇，實現帶速的自我調節，降低帶式輸送機能耗，為帶式輸送機節能控制系統進一步優化設計提供參考。

1 節能控制系統設計

B1400型帶式輸送機在不同的工作階段運載量也是不同的，根據對載荷重量的監測進行智能調速，實現帶式輸送機速度與載重的合力配比。通過設計后對優化前后的帶式輸送機的能耗及運輸效果進行一定的對比，得出優化的節能數據，實現帶式輸送機的節能。

由于運輸量的變化，在系統內部設計一個PLC控制器，PLC節能控制調節器可以有效的實現帶式輸送機載重的監測，通過內部的邏輯計算給出控制信號，實現精確的速度控制，同時降低啟動電流，降低電流對系統的沖擊，實現節能。

帶式輸送機的節能控制系統有三個部分組成，分別為控制單元模塊、監測單元模塊及執行單元模塊，分別為皮帶秤、變頻調速裝置、PLC控制器和帶速傳感器等，監測模塊的主要作用是利用皮帶秤進行運載信號的采集，通過帶速傳感器對帶速信號傳輸至PLC模塊；控制模塊將接收信號進行邏輯運算，實現輸送機的調速、啟停等功能，實現速度由載重控制的目標；執行模塊是將控制模塊的信號傳輸至電動機，實現電機的調速。帶式輸送機的節能系統示意圖如圖1。

圖1 帶式輸送機的節能系統示意圖

PLC控制器是輸送機節能控制系統的核心部件，其主要包括了中央處理器(cpu)、存儲器、外部的編程器和輸出及輸入接口(0/I)。傳感器的主要作用為采集電流信號，將采集到的信號通過輸出輸入接口傳輸至存儲器，再由cpu對存儲器中的數據進行分析，最后發出指令。要實現變頻控制帶速的目的，需要將變頻器及檢測環節加入系統中，PLC主程序的流程圖及帶速煤量檢測控制流程圖如圖2所示。

圖2 系統流程圖

如圖2(a)PLC主程序的流程圖可以看出帶式輸送機啟動后，進行啟動預警，系統監測啟動是否正常，如果啟動不正常系統報警，如果正常系統正常啟動，則進入數據的監測，根據監測數據進行計算，如果轉速滿足調速的需求則進行調速，調速取決于速度的速度調節的公式，如果轉速不滿足調速要求則繼續額定速度進行運轉。圖2(b)為帶速與煤量檢測流程圖，從圖中可以看出，當系統開始運行時，傳感器將輸送機帶速及運量的信號進行采集，將采集的信號進行PLC邏輯運算，將運算的結果與數據庫的數據進行比對分析，根據分析的數據進行調速與否的判斷，如若不用調速則結束，如果需要進行調速，PLC將調速的信號進行輸出，進行調速，具體的節能調速的控制流程圖如圖3所示。

圖3 節能控制系統具體流程圖

變頻器是將電壓及變頻電流進行轉化，將其變為交流電的裝置，通過變頻技術實現電動機的變頻控制。變頻器主要可以分為電壓及電流變頻器兩種，變頻器的內部結構主要是由整流單元、逆變單元、直流濾波單元及輸出單元等組成，輸出及輸入單元是保證變頻器不受外部設備影響的重要部件，直流濾波單元同樣可以稱為儲能單元，可以實現復載與整流器間的無功緩沖，有效抑制脈沖；制動單元是為了實現驅動裝置減速及停車的部件，其主要作用為耗能制動；逆變單元時將直流電壓及電流轉變為交流電壓電流的裝置。

變頻器的選型對于電機的運轉十分重要，此次設計的變頻器選型為MVG-2000/10/6k型變頻調速裝置，其具備過電流、過電壓、欠電、電機過載等事件的保護功能，其額定的容量為2000 kVA、額定的輸出電壓為6 kV，額定的輸入電壓為10 kV，控制精度小于0.1%。PLC裝置的選型為ControlLogix5000 1756型可編程控制器，其主要由CPU、數字量接入接出端口、電源模塊、通信模塊及模擬輸入輸出模塊等，其可以實現多個處理器獨立或聯合作業，可實現運動控制、順序控制、過程控制等功能。

2 設計效果分析

此次設計主要的優點是：①可以實現帶式輸送機的自動調速節能工作；②設計后的節能控制系統具有很強的擴展性，可實現后續的優化；③設計后的電氣控制系統降低了電量的消耗、解決了運行低效、檢修難等問題。

完成節能控制系統設計后對優化后的節能控制系統進行節能數據的對比分析，首先進行運輸效率的分析，節能控制系統優化設計后的帶式輸送機每小時運量為：

所以帶式輸送機的冗余比為：

從上式可以看出，優化后的帶式輸送機冗余比為68%，而優化前帶式輸送機在滿載、空載及輕載狀態下均以額定速度運行，所以效率很低，帶式輸送機節能控制系統設計可根據運載量進行速度的調節，提升了運輸的效率。

對電氣的節能效果進行對比分析，由于在未對帶式輸送機的控制系統進行設置前，帶式輸送機平均輸出頻率為42 Hz，所以根據變頻器的調速原理及現場實測發現，未設計前帶式輸送機的消耗功率約為額定的6成左右，所以帶式輸送機的耗電量為：

W=3×1 400×330×16×0.6=13 305 600 (kWh)

經過優化設計后的節能控制系統電量消耗可以根據平均運量進行計算，其運量與帶式成正比，所以電動機的輸出功率為：

P=Pe×(f/fe)3×η

式中：Pe為額定功率，kW；f為輸出頻率，Hz；fe為額定頻率，Hz。

根據計算可知優化后的節能控制系統輸出功率約為710 kW，所以優化后的用電量為：

W=3×710×330×16=11 246 400 (kWh)

由此得出，優化后電能的消耗降低15.5%，效果非常可觀，降低了煤礦原煤的成本，提升了礦山的經濟，達到了節能降耗目的[5]。

3 結 語

為了解決帶式輸送機運輸的輕載或空載電機恒速運行造成電量損耗的問題，設計了具有變頻調速功能的節能控制系統，給出了節能控制系統的設計方案，同時對設計完成的節能控制系統與原有系統進行對比分析，發現新設計的節能控制系統不僅可以提升帶式輸送機的運輸效率，同時有效的降低了輸送機的電量消耗，為帶式輸送機的節能控制系統優化設計提供一定的參考。