變頻智能驅動控制系統在帶式輸送機上的應用研究

李 斌

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦， 山西 呂梁 033600）

引言

帶式輸送機在煤礦開采過程中廣泛使用，在實際運輸過程中，帶式輸送機會存在滿載和空載交替運行的情況，傳統控制方式會使電動機在同一頻率工作，從而消耗大量的電能，并且對輸送機皮帶的使用存在損害。通過采用變頻器對電動機進行不同頻率的調節，對不同的工況作出不同的策略，可以實現更加平穩、節能地運行，并且可以減少對皮帶的損傷，提高工作效率[1-5]。

帶式輸送機運輸距離長、運輸量大，同時也是占總設備能源消耗的一大部分。在運輸過程中輕載和空載運行時間多，但無變頻器傳統控制，造成以重載功率設置輸送機的電動機狀態。若采用變頻技術，需結合井下工作面的實際運行工況，對帶式輸送機的輸送功率進行變頻調節，從而有效提升帶式輸送機的運輸效率，達到節能降耗的目標，體現出顯著的社會效益與經濟效益。

1 變頻技術原理

變頻器作為帶式輸送機系統的核心控制部分，由傳感器、控制器和執行元件組成。本系統采用西門子PLC 進行控制，通過內部程序的調整，PLC 輸出工頻信號至變頻器，變頻接收PLC 控制信號，進行交-直轉換，通過逆變器對電動機的電壓、電流進行控制。變頻器的使用可以使得電動機達到任意轉速，可以做到根據煤量調整電動機轉速和功率，運輸效率得到優化。

帶式輸送機系統的優化在于根據煤量控制電動機功率變化。皮帶上煤量的多少由傳感器采集，包括壓力傳感器、位置傳感器、執行元件和控制器。主控制器采用西門子PLC，通過Modbus 通信協議與變頻器通信，同時PLC 獲取電動機反饋的電流、電壓數據，在線調節變頻器。用PLC 的模擬量輸出模塊控制變頻器的模擬輸出量，調節電源的頻率、波形、電壓等，實現對電機的控制。通過變頻器對帶式輸送機的電動機進行控制，可實現無級變速，達到節能降耗的目標。

2 變頻控制策略

基于帶式輸送機煤量進行自動匹配原理的基礎上，通過帶式輸送機實時運輸煤量對皮帶的運行速度進行調節，從而達到對帶式輸送機的變頻調速，提升運輸工效，降低其電能消耗，節約成本。帶式輸送機的目標函數如下：

式中：Pr為帶式輸送機的實際功率；Pc為帶式輸送機的額定功率；Pmin為帶式輸送機功率差。

帶式輸送機在運輸過程中的系統模型如下：

式中：V 為影響煤量變化的所有因素集合；F 為輸送機狀態參數集合；D 為隨著運輸長度變化的瞬時煤量分布函數。

根據控制關系，由傳感器獲取輸送機運輸煤量，對應檢測輸送機的運行速度，由速度與運煤量建立輸送機運輸模型，根據空載、輕載、重載等運輸狀態，輸送機由變頻器智能調整電動機功率，匹配最佳速度與運煤量模型。

帶式輸送機采用智能變頻控制主要由兩個過程的智能調速，首先當帶式輸送機在啟停狀態時，由PLC 控制器輸出啟動信號，帶式輸送機會以3.6 m/h的帶速運轉；在控制系統接收PLC 控制器輸出到停止信號后，帶式輸送機則會以2.0 m/h 的待速狀態運行。另外，在帶式輸送機實際運行工況條件下，控制系統會結合原煤運輸量及電機功率對皮帶的運行速度進行變頻調節，運輸量和帶速形成正比例關系，運煤量大時PLC 控制器會增加電機的輸出功率，反之運煤量小時PLC 控制器會降低電機的輸出功率。同時避免了運煤量大時，PLC 控制器未增加電機功率，此時帶式輸送機的帶速也未增加，導致撒煤故障的發生；因此，在判斷運煤量時應實時檢測帶式輸送機的瞬時運煤量。調速控制策略如圖1 所示。

圖1 調速控制策略

3 變頻控制系統硬件配置

變頻智能控制驅動系統主要由PLC 可編程邏輯控制器、人機交互設備、壓力傳感器、速度傳感器、供電保護設備等硬件組成。采用西門子PLC 作為控制系統核心，接收傳感器數據，通過對瞬時煤量與功率的關系模型計算，由PLC 發送數據給變頻器，實現在線調整變頻，控制電動機運行。控制系統硬件連接，如圖2 所示。

圖2 控制系統硬件連接圖

帶式輸送機的各個采集點安裝在皮帶運行的轉載點，重點監控容易出現負載變化的區域，通過對壓力、速度的采集，實現電動機變頻運行，確保運行皮帶平穩地過渡，減少磨損與故障率。

煤礦井下采用KTC101 型控制保護系統、KTC101-Z 型主控變頻器，以及KDW101 型電源箱，采用壓力傳感器監測皮帶上煤流量與負荷變化情況，當輸送機皮帶上負荷發生變化，PLC 接收到傳感器的信號，通過PLC 既定程序處理，發送指令給變頻器，實現輸送機智能變頻調節。為了實現電動機變頻調節的準確性，變頻器與電動機匹配也是考慮的問題之一。同時，為保障控制系統的穩定運行，需結合實際運煤量和運輸工況，匹配合適的電動機和變頻控制器。以負載變化時的電機通過電流量來進行選擇，通常采用“主-從”方式進行調節平衡，當系統發生故障時發生短路，通過在供電系統的回路中安裝快速熔斷器，會快速切斷電源，從而達到對變頻器的保護。

帶式輸送機實現變頻功能需要變頻器、PLC、上位機控制系統各部分連接組成，通過建立工業專用網絡，實現各個部分的通信。特別是斜井運輸工況下，由于皮帶運輸機采取前后雙電機驅動的模式，需為每臺電機配置單獨的變頻控制器，并設置專門的配電硐室，將井下供電系統的電壓從10 kV 降低為0.6 kV，實現與皮帶輸送機電機電壓自動匹配，方可為帶式輸送機進行供電。

4 應用效果分析

將本文研究的變頻智能驅動控制系統應用于實際煤礦項目中，系統實現了穩定運行，且針對啟動停止階段、負載變化階段等調控效果明顯，電動機調速平穩，啟動電流小，對整個供電系統沖擊較小。同時，變頻智能驅動控制系統的應用還降低了輸送機運行的故障率，減少了維修人員工作強度，整體提高了帶式輸送機運行自動化程度，保證了帶式輸送機正常穩定運行。

采用PLC 變頻控制器對帶式輸送機的控制系統進行優化改造后，帶式輸送機的運行功率較未改造前降低約65%，體現出顯著的節能降耗效果。按每條帶式輸送機配備兩臺電機，每臺電機平均節約功率2.5 kW 左右，礦井年工作日設為300 d 計算，每年可節約電費：300 d×24 h×2.5 kW×1.02 元/kWh=1.73 萬元，同時大幅降低運行故障，體現出顯著的節能效果。