選煤廠皮帶輸送機智能調速系統設計

王小雅

（山西焦煤西山煤電官地選煤廠， 山西 太原 030022）

引言

選煤廠皮帶輸送機是核心運輸設備，同時也是高耗能設備，常處于空載或者輕載運行狀態，造成極大的電能浪費。因此，皮帶輸送機高效、節能運輸問題值得科研人員研究和探討。變頻控制技術逐漸應用于選煤廠皮帶輸送機的控制系統，使得帶速能夠隨著煤料流量的不同自行調節，減小電能損耗，減小機械磨損，達到節能降耗的目的[1]。國內外皮帶控制專家針對選煤廠皮帶運輸機控制系統展開一系列的研究，如文獻[2]根據負載變化自動完成皮帶運輸機的調速，并控制皮帶輸送機的輸出功率，使其在設定范圍內變化，實現帶速隨煤流量自動調節的目的。文獻[3]利用模糊控制策略調整皮帶運輸機帶速，將煤流量模糊化，并通過模糊控制算法實現帶速調節。文獻[4]建立皮帶輸送機變頻驅動模型和輸送系統模型，分析影響帶速調節的因素，并基于仿真軟件完成電動機輸出電壓仿真，為提升皮帶輸送機的節能效果提供理論基礎。文章以選煤廠用皮帶輸送機為研究對象，設計基于ControlLogix5000 控制器的智能調速系統，達到智能調速、節約電能的目的。

1 皮帶輸送機功耗分析

選煤廠用皮帶輸送機由輸送帶、滾筒、托輥、驅動系統、張緊系統、保護系統、控制系統以及機架等部分組成。通過安裝在前后滾筒的電動機驅動滾筒運行，依靠輸送帶與滾筒的摩擦力使得輸送帶連續運轉，達到運輸煤料的目的。皮帶輸送機運行過程中受到的阻力有基本阻力，即托輥間、輸送帶與煤料間的阻力；傾斜阻力，即煤料在傾斜方向對輸送帶的阻力；附加阻力，即改向滾筒阻力、驅動滾筒轉動阻力、落煤區阻力等[5-6]。在分析影響皮帶輸送機功耗時，附加阻力可忽略不計，主要影響因素為基本阻力、傾斜阻力。帶式輸送機的基本阻力、傾斜阻力為固定不變因素，影響帶式輸送機功耗的主要因素為煤流量Q 以及帶速V。

2 智能調速方案設計

2.1 總體設計

選煤廠用皮帶輸送機智能調速系統總體設計如圖1 所示，由可編程邏輯控制器及其擴展模塊組成核心職能調速控制系統，外接的輸入信號速度傳感器用于實時監測皮帶輸送機的帶速，皮帶秤用于監測輸送皮帶上煤料的重量，功率采集模塊用于監控調速系統的有功功率和功率因素。為保證帶式輸送機安全、穩定運行，設計綜合保護器，實時監測皮帶輸送機的堆煤、撕裂、煙霧、跑偏、拉繩等故障，當故障發生時，在上位機自動彈出故障報警界面并發出聲光語音報警。皮帶輸送機前后配置異步變頻電動機，采用“一拖一”CAN 總線通信模式變頻驅動電動機，進而驅動皮帶運行。變頻驅動模式采用V/F+矢量控制方案，在變頻器內部設置多級速度給定，當皮帶輸送機煤料負載發生變化時，采用V/F、矢量控制方法適時調節帶速[7-8]。設置上位機系統，經CAN 總線通信獲取皮帶輸送機智能調速控制系統的所有數據進行展示，當系統發生故障時，觸發故障報警。

圖1 選煤廠帶式輸送機智能調速總體設計框圖

2.2 硬件設計

選煤廠用皮帶輸送機智能調速控制系統用到的核心硬件包括控制器、變頻器、皮帶秤、功率監測器、速度傳感器以及撕裂、煙霧、跑偏等傳感器?？刂破鬟x用羅克韋爾的ControlLogix5000 1756 系列控制器，采用雙CPU 冗余技術、模塊化、可擴展集約結構設計，具有隔離I/O 和高性能診斷功能；支持TCP/IP、CAN、CANopen、Modbus、DeviceNet、RS485 等 多 種 通 信 模式；支持過程控制、安全控制、運動控制等，滿足選煤廠帶式輸送機調速功能。變頻器選用的型號為東芝-三菱MVG-2000/10/6K，該變頻器的額定容量為2 000 kVA，額定輸入電壓為10 kV/50 Hz/3 Ph，額定輸出電壓為6 kV，控制精度≤0.1%，功率不平衡度≤2%；具備過壓、過載、過流、缺相、輸出短路等保護功能[9-10]。皮帶秤選用的型號為ICS-ST，具有測量精度高、安全性好的特點，當煤料經輸送帶通過該電子稱時，煤料重力作用于皮帶秤并生成電壓信號傳送至控制器，實時監測煤料重量。功率監測模塊選用的型號為EDA9033A，該模塊為智能型三相電參數綜合采集裝置，可通過RS485、CAN 總線等多種通信方式將電壓、電流、有功功率、功率因數等數據傳送至控制器。速度傳感器選用的型號為GSC4，該速度傳感器檢測精確、結構簡單，額定電壓為DC 12 V，測量范圍為0～5 m/s。

2.3 軟件設計

選煤廠用皮帶輸送機智能調速控制系統基于RSlogix5000 軟件編程平臺實現，可完成常規編程、組態、監控以及診斷功能。根據調速控制系統實現的功能，將軟件系統劃分為主程序模塊、系統初始化模塊、故障自診斷模塊、故障保護模塊、輸入信號處理模塊、能耗優化控制策略模塊以及控制過程處理模塊，詳細如圖2 所示。每個模塊可獨立編程，并留有接口函數與其他模塊完成功能交互。

圖2 選煤廠帶式輸送機智能調速軟件系統模塊劃分

3 應用情況

為驗證設計并實現選煤廠皮帶輸送機智能調速系統的正確性和適用性，在選煤廠用皮帶輸送機完成實際應用，該皮帶輸送機型號為DTC80/15/2*132，帶寬B=800 mm，額定運量Q=150 t/h，帶速為2.5 m/s，傾角為＆=19°，前后電動機的額定電壓為660 V，額定功率為2×132 kW，年平均工作日300 d，每天工作18 h。根據皮帶輸送機煤流量與帶速的正比關系可知，該皮帶輸送機的額定年煤流量t/h。該皮帶輸送機的冗余比

該皮帶輸送機采用該方案前采用恒速運行模式，實際消耗功率為額定功率，則全年生產時所需的電量W=2×264 kW×300 d×18 h=2 851 200 kWh。

采用該智能調速方案后實際運行帶速與煤料流量自適應匹配，且煤流量與帶速成正比例關系。當該皮帶輸送機運量為593 t/h，帶速為2.5 m/s，電動機功率為264 kW 時，優化后的年消耗電量W1=264×300×18=1425600kWh。年節電率100%=50%。

即采用設計并實現的智能調速方案后，年節電率可達50%，節能效果明顯。另外，皮帶輸送機恒速運行時，會造成托輥與皮帶之間的機械磨損，運行速度越大，磨損越嚴重；運行速度越小，磨損越小。因此，采用優化方案后減小了機械磨損，年節約機械材料配件費用約11.2 萬元。

4 結語

基于變頻控制技術設計的選煤廠用皮帶輸送機智能調速系統，經實際使用證明了該方案的正確性、可行性和適用性，達到了節約電能、高效運輸的目的。在后續的選煤廠皮帶輸送機智能調速系統研究時，可增加模糊控制技術、神經網絡技術，建立皮帶輸送機數學模型，對帶速、煤料流量、輸出頻率、運行電壓、運行電流等核心參數進行仿真，達到最優匹配效果，進一步完善和提升皮帶智能調速系統性能。