智能變頻控制技術在膠帶輸送機中的應用

盧 凱

（山西孝義西山德順煤業有限公司， 山西 孝義 032300）

引言

膠帶運輸系統輸送距離長、運行時間長、磨損量大、能耗量大，工作容量約占全礦井容量的30%，設備冗余功率容量的20%。為降低煤礦生產成本、提升經濟效益、節能降耗，將變頻控制調速技術應用于煤礦膠帶輸送機控制系統成為必然。變頻調速技術的調速性能優異、啟動/制動效果優越，并具有高效率、高功率因素的特點，使得膠帶輸送機趨于智能化、節能化和經濟化[1-2]。傳統膠帶輸送機采用工頻拖動、液力耦合器傳動的控制方案，存在的主要問題有傳動效率低、啟動電流沖擊大、機械部件磨損嚴重、多機驅動功率失衡、電能浪費嚴重等。目前膠帶輸送機控制系統的研究主要集中在逆啟順停流程控制、運行狀態監測、故障分析與預判以及變頻調速等方面。將智能變頻控制技術應用膠帶輸送機需主要解決的問題有：實現平滑啟動與制動；可根據物料流量實時控制電動機加速或者減速，保證膠帶輸送機運行于最佳狀態，能夠適應頻繁調速；具備完善的故障保護、實時通信功能；具備監控并累計膠帶輸送機運輸物料總體統計功能[3-5]。文章基于智能變頻控制技術，詳細分析該方案的實現過程以及實際應用情況。

1 智能變頻控制系統組成

膠帶輸送機智能變頻控制系統組成如圖1 所示，設計雙電源進線變頻柜，進線為1 140 V 交流電源，在該變頻器柜內部安裝有兩個BPJ-315/1140 型變頻器，還包括電抗器以及組合開關，用于“一拖一”模式控制膠帶輸送機的電動機1 以及電動機2。設計膠帶輸送機操作控制臺，包括控制器、HMI、操作按鈕等，與變頻控制柜進行CAN 總線通信并完成對變頻器1以及變頻器2 的控制。設計膠帶輸送機綜合保護系統，通過監測安裝在膠帶輸送機機身的速度傳感器、煙霧傳感器、撕裂傳感器、溫度傳感器等值，判斷膠帶輸送機是否發生故障，并將檢測到實時數據傳送至膠帶輸送機操作控制臺中的控制器進行判斷和邏輯控制[6]。膠帶輸送機運行時需實時檢測物料流量，經控制器處理后實時調節膠帶帶速。電動機1 以及電動機2 通過自身攜帶的編碼器將電動機的實時轉速傳送給控制器，形成速度閉環控制。另外，為保證膠帶輸送機的安全性，設計制動單元以及制動電阻，保證膠帶輸送機安全停機。同時該系統還包括超溫自動灑水裝置、沿線急停閉鎖裝置，增強膠帶輸送機的安全性。

圖1 膠帶輸送機智能變頻控制過程

2 智能變頻控制系統工作原理

膠帶輸送機智能變頻控制系統接通電源后，按下操作控制臺的啟動按鈕，系統開始工作，如圖2 所示。變頻器、控制器、液壓抱閘系統、綜合保護系統、速度檢測系統、制動單元等按照程序設定順序執行。膠帶輸送機啟動后，將液壓抱閘打開，發出膠帶啟動報警，延時2 s 后膠帶輸送機起車并將其運行信號反饋至操作控制平臺。當系統出現故障時，將故障信號反饋至操作控制平臺并執行停車過程并觸發抱閘停車。

圖2 膠帶輸送機智能變頻控制系統工作原理

3 方案實現

3.1 硬件

膠帶輸送機智能變頻控制系統硬件連接示意圖如圖3 所示，主要由控制系統、人機界面、變頻器、故障檢測單元、報警裝置以及溫度、速度、電流、保護等傳感器檢測單元組成。

圖3 膠帶輸送機智能變頻控制系統硬件連接示意圖

控制系統有PLC 控制器及其擴展模塊組成，選用 PLC 控制器選用西門子 S7-300 系列的CPU314C-2DP 緊湊型CPU，內置16 個DI/DO 復用端口、4 個AI/AO 復用端口，支持CAN、Profibus DP 通信，可將傳感器信號轉換為標準的電壓或者電流信號。編程時基于STEP7 軟件平臺，支持LAD、ST、FBD等多種編程語言[7]。控制器輸入、輸出點配置詳見表1所示。變頻器選用的型號為BPJ-315/1140，該變頻器的額定功率為315 kW，額定電壓為1 140 V，額定電流為200 A，輸出頻率為0～50 Hz，該變頻器可作為起動設備使用，實現對恒力矩負載重載起動，又可以作為調速設備使用，根據其負載情況完成膠帶輸送機的調速控制的要求[8-9]，與原軟起動方式相比，減少了對輸送機的損傷，減少了開機時皮帶抖動，可以重載啟動，提高了開機率等優點[10]。

表1 膠帶輸送機智能變頻控制系統控制器輸入、輸出點配置

3.2 軟件

膠帶輸送機智能變頻控制系統軟件實現基于STEP7 軟件平臺，采用ST 語言編程實現。軟件實現主要包括控制方式選擇、工作方式選擇、啟動過程變頻調速、穩態過程變頻調速、就地方式啟停控制、模擬量處理等部分。圖4 所示為膠帶輸送機穩態過程變頻調速控制流程。控制器實時采集膠帶輸送機機頭、機尾電動機輸出電流值I1以及I2，計算ΔI=I1-I2。對于膠帶輸送機機頭電流I1，當I1=Imax，分ΔI≤5%Ie、ΔI≥10%Ie以及5%Ie≤ΔI≤10%Ie三種情況分別完成變頻器的頻率調節并完成膠帶輸送機的加速、減速過程，詳細控制流程見圖4 所示。

圖4 膠帶輸送機穩態過程變頻調速控制流程

4 應用情況分析

采用智能變頻控制方案的膠帶輸送機在某煤礦完成實際應用， 該膠帶輸送機的型號為DSJ120/150/2×315，滿載平均輸送量為1 500 t/h，非滿載平均輸送量為800 t/h，帶速為3.5 m/s，年輸送物料為180 萬t，滿載運行工作時間為全年工作時間的60%。表2 所示為該煤礦使用的膠帶輸送機功率、能耗數據統計表。

表2 膠帶輸送機功率、能耗數據

該膠帶輸送機的年滿載工作時間可表示為t1=年非滿載工作時間表示為

由表2 可知，當膠帶輸送機的帶速為3 m/s 時，滿載消耗功率為625 kW，非滿載消耗功率為377 kW，以電價0.5 元/kW·h 計算，該膠帶輸送機年耗電電費可表示為C1=625×720×0.5+377×900×0.5=225 000+169 650=39.465 萬元。

采用智能變頻調速方案后，膠帶輸送機非滿載時帶速調節為1.5 m/s，消耗功率為235 kW，則該膠帶輸送機年耗電電費可表示為C2=625×720×0.5+235×900×0.5=225 000+105 750=33.075 萬元。

則采用智能變頻控制方案后，該膠帶輸送機年節約電費可表示為ΔC=C1-C2=39.465-33.075=6.39 萬元。

膠帶輸送機采用智能變頻調速方案后，不但取得較好的經濟效益，而且降低了機械損耗和機械故障發生率，進一步提升了膠帶輸送機的機械損耗費用和工作效率。

5 結語

采用智能變頻控制技術完成的膠帶輸送機控制系統，能夠根據膠帶輸送機實際物料流量調節變頻器輸出頻率，進而完成對膠帶帶速的實時調節，避免長時間空載或者輕載，造成電能浪費。應用該控制方案后，年節約電費約6.39 萬元，同時保證了膠帶輸送機高效、穩定、安全運行。