膠帶運輸機變頻調速節能控制系統的設計分析

＊李錦龍

（晉能控股煤業集團地煤精通興旺煤業有限公司 山西 037007）

1.優化策略分析

膠帶運輸機在開啟瞬間會產生極強的沖擊電流，其強度大約是額定電流的5～7倍，這樣不僅浪費電能，同時還有可能燒毀電機。與此同時，膠帶張力也會隨著電機的開啟瞬間增大，這樣不僅會造成膠帶打滑，甚至情況嚴重者造成斷帶安全事故。作為電機常見開啟方式之一，軟啟動可以對沖擊電流進行有效降低。隨著煤礦開采效率的提高，膠帶運輸機額定功率需求也在不斷增大。與此同時，單電機所需要的的啟動功率也要隨之增大，并且電機維護保養也極為困難。相比單電機驅動而言，雖然多電機驅動更適合現有膠帶運輸機的使用，但是也存在明顯的缺點那就是驅動功率無法保持平衡。目前絕大部分膠帶運輸機工作模式落后、運輸效率低下，因此可以通過改變電機轉速或者電機數量對其進行優化改進，經過多方面分析研究，最終決定通過改變調速控制方式對其進行優化改進。相對而言，變頻調速具有如下四方面優勢：其一可以確保設備軟啟動功能的有效實現；其二可以在多電機啟動時驅動功率保持平衡；其三可以對電機工作狀態進行精準控制；其四可以讓運輸機更加節省電能。

2.變頻調速節能控制系統設計

(1)總體方案設計

變頻調速節能控制系統的主要作用就是對膠帶運輸工作狀態進行實時控制，其中主要包含三個方面：第一方面對各種輸入、輸出信號進行檢測；第二方面對獲取的各種數據進行分析處理；第三方面對電機運行速度進行控制，最終確保膠帶運輸機可以進行節能運行。通常來說膠帶運輸機是由眾多多級膠帶機共同組成，以此為設計基礎將DSR控制器作為系統控制中心，對電機輸入、輸出信號進行采集，同時結合傳感器反饋的運行數據，對電機的工作狀態進行調節從而達到最佳。其組成結構如圖1所示。

圖1 膠帶機變頻調速節能控制原理圖

(2)硬件設計

①DSP選型。因為系統對運算速度具有較高的要求，傳統的PLC控制系統無法滿足變頻調速控制系統需求，所以本次選擇TMS320F2812型號的DSP控制器。該控制器的技術核心就是靜態CMOS技術，其主頻最高可達150MHz，同時還配置了32位CPU處理器。這樣不僅讓控制器具有強大的數據計算能力，同時還具有強大的實時控制能力。作為控制系統的核心組成，DSP控制器主要作用就是生成控制指令以及計算電機最優轉速。當膠帶運輸機正常運行時，首先要對傳感器信號進行接受；然后對傳感器信號進行分析處理計算出電機最優轉速；其次將控制信號傳遞給變頻器，對電機輸入電壓的頻率和大小進行調節；最后通過改變電機的轉速來對膠帶輸送機的正常工作速度進行實時調整。

②變頻器。變頻器作為電機轉速調節的主要設備，因為工作條件原因，對其防爆性能具有極高要求，因此本次選擇BPJI-47/660型號防爆變頻器。在膠帶運輸機正常工作中，根據煤炭運輸量以及實時電價，對其運行速度進行調節。當電價相對較低時，可以通過DSP控制器讓膠帶運輸機工作轉速提高，從而讓煤炭運輸量增加；當電價相對較高時，可以通過DSP控制器讓膠帶運輸機工作轉速降低，從而讓煤炭運輸量減少。

③膠帶秤。膠帶運輸機可通過膠帶秤對其運載載荷進行實時監測，因為工作環境以及性能要求，所以將防爆型核子秤作為首選。該裝置使用參數如下所示：適用于物料運輸寬度范圍在200～2000mm之間，輸送速度范圍在0～5m/s之間；平均工作時間超過1500h；電機正常工作溫度范圍在0～50℃之間；電機額定功率大約在250W；電源要求大約在50Hz，220V。

④煤倉料位計。膠帶運輸機變頻調速控制的主要因素之一就是煤炭儲存量，假如膠帶運輸機煤炭運載載荷相對較大很可能導致煤炭溢出煤倉；假如膠帶運輸機煤炭運載載荷相對較小很可能會對煤炭連續性運輸產生影響，所以需要通過煤倉料位計對煤倉中煤炭儲存量進行實時監測。根據工作環境以及性能要求，可以將超聲波料位計作為首選。該裝置使用參數如下所示：超聲波發射角度在50°左右；過程溫度范圍在-30～70℃之間；測量精度在10mm左右；輸入工作電流范圍在4～20mA之間。

⑤轉速傳感器。作為膠帶運輸機變頻調速控制的基礎，就是要對膠帶運輸機的工作轉速進行深入了解，所以需要對膠帶運輸機進行實時監測，從而對其實時轉速數據進行獲取。本次設計主要是通過磁阻式轉速傳感器對膠帶運輸機工作轉速進行實時監測，該傳感器工作原理就是電磁感應，然后通過傳感器將機械轉速轉化成脈沖電量。利用電磁感應對膠帶運輸機的正常工作轉速進行脈沖轉化，從而實現對運行轉速的實時監測。

⑥智能顯示及人機對話裝置。膠帶運輸機變頻調速控制系統具有完整的人機交互窗口，智能顯示及人機對話裝置不僅能對膠帶運輸工作狀態進行顯示，同時還能對膠帶運輸工作狀態進行控制。該裝置使用參數如下所示：機箱采用新型IPC-810B型號；動力電源采用PS-7270型號；安裝底板采用IPC-6113LP4型號；CPU處理器采用E5200型號；儲存硬盤內存250G。

(3)軟件設計

①主程序。膠帶運輸機變頻調試節能控制系統模塊主要由三部分組成：第一部分軟啟動功能模塊；第二部分多電機啟動驅動功率保持平衡模塊以及第三部分變頻調速電能節能模塊。首先通過膠帶秤對煤炭運輸載荷進行檢測；其次將檢測數據傳遞到DSP控制器，再和傳感器數據相結合，對其最優工作轉速進行計算；然后DSP控制器將計算的最優轉速數據信號傳遞給變頻器；最后通過變頻器對電機轉速進行調節，從而使設備的節能控制得到有效實現。其控制流程如圖2所示。

圖2 主程序具體控制流程圖

②變頻調速程序。作為DSP控制器控制信號的接受程序，變頻調速程序通過改變電機的轉速和轉動頻率，讓膠帶運輸機達到最佳工作狀態，從而確保節能降耗的實現。其變頻調速控制流程如圖3所示。

圖3 變頻調速控制流程圖

③緊急情況處理程序。膠帶輸送機保持正常工作狀態，無論煤倉儲存量高于上限值，還是低于下限值，都會對膠帶輸送機正常運行產生不利影響。因此，為了避免溢倉、空倉的情況出現，特意新增了緊急情況處理程序，其控制流程如圖4所示。

圖4 緊急情況下的處理流程圖

④軟啟動控制程序。軟啟動控制程序的主要作用就是對啟動電流沖擊進行降低，由DSP控制機器發送控制信號，通過速度斜坡曲線對電機啟動速度進行調整。其控制流程圖如圖5所示。

圖5 軟啟動控制流程圖

3.應用效果評價

經過半年的礦井運行測試，膠帶運輸機變頻調速節能控制系統運行效果良好，不僅讓系統更加穩定可靠，同時還讓軟啟動以及節能降耗得到實現。根據業內相關人士分析，假如該系統正式投入使用，不僅可以給企業帶來巨大的經濟效益，同時還可以為企業的快速發展奠定堅實基礎。