基于變頻調速的皮帶智能控制系統設計

張德明

（西山煤電集團有限責任公司官地煤礦，山西太原030022）

傳統皮帶運輸機控制系統采用工頻控制模式，即給定皮帶運輸機額定速度，不考慮載荷情況。該控制模式可導致皮帶長時間處于空載、輕載狀態，造成電能浪費。同時，皮帶運輸機工頻啟動時，會產生較大的瞬時啟動電流，對機械部件造成大的電流沖擊，縮短皮帶運輸機使用壽命，增加故障發生率[1]。

其問題還包括：

1）無法實現精確控制，驅動多臺電動機時無法實現轉矩、轉速、功率一致。

2）運行效率低下，運行過程中會產生熱量，需配置制冷裝置。

3）無法實現皮帶運輸機的軟起、軟停，機械磨損嚴重。

為解決皮帶運輸機工頻控制模式的缺點，文章以煤礦井下皮帶運輸機為研究對象，采用變頻控制技術、CAN 總線通訊技術以及組態軟件技術實現皮帶運輸機的智能控制。

1 控制原理分析

皮帶輸送機采用交流異步電動機驅動滾筒運行，交流異步電動機轉速可表示為：

式中：p為電動機極對數，s為電動機轉差率，對指定電動機而言，參數p和s為恒定值。

電動機定子頻率f1發生變化時，相關參數也會發生變化并影響調速性能。因此，在調節電動機f1時必須與電壓調節匹配，其中交流異步電動機定子線電壓可表示為[2-3]：

定子感應電動勢有效值為：

當忽略定子阻抗壓降時有：

式中：I1為定子電流；Z1為定子等效阻抗；ω1為定子繞組系數；f1為定子頻率；Φm為主磁通；kwl為定子繞組串聯匝數。

由式（4）可知，f1下降時，轉速n和Φm下降。當定子線電壓U1不變時，U1與E1的差值會增大，定子電流I1會增加，會導致電動機的功率因素降低，影響電動機的負載能力。因此，基于變頻控制技術，當皮帶輸送機負載量較小時，通過變頻器降低電動機運行頻率，降低皮帶運行速度，避免“大馬拉小車”現象發生。

皮帶智能控制系統的設計原理見圖1，由調度層、控制層組成。控制層用于控制皮帶的運行、停止、加減速以及故障巡查等。按照控制器、變頻器、電動機、減速器模式驅動滾筒運轉，進而帶動皮帶運行。控制器與變頻器之間按照通訊模式+ 硬連接雙冗余控制模式完成指令、數據傳輸，保證變頻驅動的可靠性與安全性。為監測皮帶運行狀態，在皮帶沿線安裝速度、跑偏、溫度、縱撕、打滑等傳感器，將皮帶運行狀態傳送至控制器并參與邏輯控制、故障報警等。調度層由上位機HMI監控平臺組成，除可實時顯示皮帶運行狀態信息、參數設置信息、故障報警等，還可完成對皮帶的遠程控制，如遠程啟動、遠程停止等。控制層中的控制器以CAN總線通訊模式將皮帶運行的所有數據傳送至上位機。

圖1 皮帶智能控制系統原理

2 硬件系統設計

基于變頻調速的皮帶智能控制系統用到的核心硬件部件包括控制器、傳感器、變頻器以及上位機HMI等。控制器主要完成的功能有模擬量/ 數字量數據采集、CAN總線通訊、邏輯控制、數據計算及存儲以及故障診斷。選用EPEC3724 控制器為該控制系統的核心CPU，能夠適應煤礦井下惡劣使用環境，防護等級較高，穩定性好。選用三菱的SA-1000 高壓變頻器，采用矢量變頻電力驅動模式，調速范圍寬、控制精度低，啟動電流小，對電網沖擊小，能夠實現多電動機驅動功率平衡，功率因素高，運行成本低，能夠達到節能的效果。傳感器中的速度傳感器安裝于被動轉動部件，可精確、實時監測皮帶帶速并發出故障報警信號；溫度傳感器用于監測驅動滾筒溫度，當溫度超限后，發出溫度報警信號；跑偏傳感器安裝于皮帶兩側，堆成安裝，間距為30～50 m；縱撕傳感器用于監測皮帶的撕裂信號，輸出為0～10 V電壓信號，監測精度小于等于0.02 F.S。

3 軟件系統設計

3.1 PLC程序設計

基于變頻調速的皮帶智能控制系統控制層PLC程序采用ST語言進行編寫，按照皮帶智能控制系統實現的功能，劃分為初始化模塊、基本邏輯處理模塊、變頻控制模塊、故障處理模塊、通訊處理模塊、上位機HMI數據處理模塊等。設計的變頻控制模塊以及故障處理模塊PLC程序設計流程見圖2。皮帶運輸機開始運行后，控制器首先對輸送信息進行檢測、存儲，如果當前輸送量為額定輸送量，則保持帶速；如果實際輸送量與當前帶速不匹配并不能達到節能效果，則增加/ 減少變頻器運行頻率，進而自適應調節皮帶帶速。調節變頻器運行頻率的間隔為1 Hz，即每調節一次增加或減少的變頻頻率為1 Hz。為保證皮帶運輸機穩定、連續運行，對運行過程中的故障需進行預測和處理，如減速機斷軸、皮帶打滑、皮帶跑偏、皮帶散料、電動機過熱等。當皮帶運輸機出現故障時，需對控制柜進行停機控制并停止電動機工作，待故障解決后重新上電。

圖2 皮帶運輸機PLC 程序設計流程

3.2 HMI程序設計

基于變頻調速的皮帶智能控制系統調度層上位機軟件基于King SCADA組態軟件完成，程序設計框圖見圖3，由用戶界面、系統狀態顯示界面、手動控制界面以及預警界面四部分組成。控制層控制器以CAN總線通訊模式將皮帶運行的所有數據傳送給King SCADA組態軟件平臺。King SCADA平臺將數據進行解析后映射至本地變量并完成動態鏈接、實時更新[4-5]。通過該上位機HMI監控平臺，可完成用戶登錄/注銷/注冊；可實時查看帶速、輸送量等關鍵數據的實時曲線、歷史曲線；可對皮帶電動機進行遠程啟動、停止以及調速控制；可對傳感器的閾值范圍進行設置并查詢、監測報警信息。

圖3 皮帶運輸機HMI 程序設計框圖

4 應用分析

為驗證設計的基于變頻調速的皮帶智能控制系統的實用性和正確性，在某煤礦井下用皮帶運輸機完成工業性試驗。選用的皮帶運輸機主要技術參數見表1。進行工業性試驗時，考慮不同額定帶速情況時，實際輸送量為額定輸送量的70%、60%以及50%時皮帶帶速調整值，數據統計見表2，為皮帶最佳運行速度。

表1 皮帶運輸機主要技術參數

皮帶運輸機變頻方案最佳運行模式可由式（5）～（8）決定[6]：

式中：Q額定為皮帶運輸機額定輸送量，t/h；V額定為額定輸送速度，m/s；S為物料面積，m2；k為調節系數，可查表；ρ 為輸送機的物料密度，kg/m3；Φ 為比例系數，可查見表2。由式（5）～式（8）可知，皮帶變頻調速時的頻率和變頻后的帶速是同步變化的，且變化率相同，都為Φ。

表2 皮帶運輸機變頻方案速度調整統計

額定速度/（m/s）實際輸送量為50%時速度調整/（m/s）4.43.102.662.23 4.83.412.922.44 5.13.612.902.46 5.33.723.192.66 5.63.933.362.81實際輸送量為70%時速度調整/（m/s）實際輸送量為60%時速度調整/（m/s）

5 結語

采用變頻控制模式，根據物料承載狀態，自適應、實時調節皮帶帶速，可避免空載、輕載、超載情況發生，達到節能降耗的目的。同時可實現異常狀態時皮帶電動機保護軟停機，降低啟動電流，延長皮帶運輸機機械部件的使用壽命[7-8]。