帶式輸送機節能控制系統設計研究

王 丹

（晉能控股煤業集團晉華宮礦， 山西 大同 037003）

引言

帶式輸送機是煤炭開采企業的主要運輸設備，設備運行安全、高效、節能對企業生產至關重要。傳統的帶式輸送機為保證過載情況下設備仍可以可靠運行，故在功率設計時往往留有余量，這就導致在實際生產過程中帶式輸送機的運行往往無法達到滿載狀態，使得設備處于大馬拉小車的狀態。設備的空載或輕載運行不斷會造成機械磨損加劇，同時也會造成設備能源大量浪費。針對這一現象，本文擬通過運用PLC 控制器+變頻器的方法對帶式輸送機運行速度進行優化控制，以期減少設備磨損，提高能源使用效率。

1 帶式輸送機節能控制系統結構設計

帶式輸送機控制系統應包括五大部分，分別PLC控制器、變頻器、電機、上位機以及所需的傳感設備[1]，其結構示意圖如圖1 所示。輸送機可由異步電動機驅動，配合變頻器調節輸出的頻率與電壓，從而實現對皮帶速度的控制。在帶式輸送機運行過程中需對煤流量、皮帶速度以及電量使用情況進行實時監測，并對采集到的數據進行優化，使輸送機運行狀態達到最佳。運行速度主要通過速度傳感器進行數據采集，煤流量通過電子皮帶秤進行數據監測，設備的功率與電流大小通過功率采集模塊進行數據采集。將采集數據進行匯總分析后，通過PLC 控制變頻器使設備處于最佳運轉狀態，實現節能的目的[2]。

圖1 帶式輸送機控制系統結構示意圖

2 控制硬件設計

PLC 控制技術經40 年的發展已逐步發展成熟，其運用大規模現代集成電路技術，經過精密制造后，具備可靠性高、抗干擾強、變成靈活、使用方便等特點，較為適合運用于帶式輸送機控制系統設計中[3]。由上文可知，控制系統的硬件需進行PLC 控制器設計、變頻器設計、煤流量監測設計、功率監測設計以及速度傳感器設計。

2.1 PLC 控制器設計選型

PLC 控制器為帶式輸送機控制系統的主要控制部件，對輸送機控制系統的安全可靠性以及設備節能性影響巨大。PLC 控制器應在滿足相關要求與設計指標的前提下，盡可能地使設計更為簡單、高效、安全、可靠、經濟。同時，功能與容量還應保留一部分的冗余，便于日后設備的改造與維護。由于煤炭企業的生產環境較為惡劣，控制設備的穩定性應成為控制器選型的主要指標之一。本文選用西門子S7-1214PLC 為主控制器。

2.2 變頻器設計選型

變頻調速技術具有調速性能優良，負載適應能力強等特點，可對帶式輸送機控制系統進行節能優化。變頻器較為常用的模式為交- 直- 交變換模式，主要包括整流、中間直流以及逆變3 個環節，其具體結構示意圖如下頁圖2 所示。

圖2 變頻器結構示意圖

交- 直- 交變換模式的控制方法主要有三種，其具體為：

1）可控整流器調壓和逆變器調頻的方法。

2）二極管整流、逆變器調頻、斬波器調壓的方法。

3）PWM逆變器調頻調壓、二極管整流的方法。

由于PWM 逆變器生成的輸出電壓脈寬在按正弦變化時，可使電動機的電流也按正弦規律變化，使諧波的影響盡量降低，同時電網波形畸變也可減小，使功率因數提高，故本文選擇PWM 逆變器調頻調壓、二極管整流的控制方法。變頻器的調速控制采用變頻器的常用調速方式U/f 恒定控制方式，該方法屬于恒磁通調速，電壓可隨電源的頻率變化而變化，比值數值較為恒定[4]，其原理圖如圖3 所示。

圖3 U/f 恒定控制方式原理示意圖

圖3 中，LA 代表加減速單元，VFC 代表壓頻變換單元，μ-COM 代表微型數據處理單元，DAC 代表數模轉換。經綜合分析，本文變頻器選擇西門子的6ES71 變頻器，也可使系統兼容性更強。

2.3 其他硬件設計選型

煤流量監測主要通過皮帶秤進行數據采集而實現監測，常用的皮帶秤有電子皮帶秤、激光皮帶秤、超聲皮帶秤以及核子皮帶秤。其中，核子與激光皮帶秤使用中帶有輻射，超聲皮帶秤精度較低，故本文選用電子皮帶秤[5]。ICS-ST 電子皮帶秤符合要求，選取該型號為煤流量監測設備。

功率監測主要通過三相功率采集模塊進行監測。本文選用EDA9033A 模塊符合設計要求。

皮帶的速度監測可選用GSH5 型速度傳感器，將其安裝在滾筒支架上，運用霍爾原理，當皮帶帶動滾筒旋轉可通過傳感器的脈沖信號結合直徑、個數、單位時間內的脈沖數量方可計算出運行速度。

3 控制軟件設計

帶式輸送機的控制系統軟件設計主要包括上位機軟件編輯與PLC 控制程序設計兩部分。其中，PLC控制程序設計采用TIA Portal 軟件進行設計；上位機軟件編輯采用WinCC7.3 軟件進行組態設計。PLC 控制程序中，速度的調節主要與煤炭流量有關。在實際設計中，控制器設計不應過于靈敏，防止輸送機速度不斷調節，系統無法穩定運行。故調速程序設計將煤流量劃分為范圍一定的區間，當煤流量處于對應區間時，調節為相應的速度v。同時，本系統還進行了煤流量擾動設計，3 s 內的煤流量不穩定變化不予以設定，3 s 外的穩定煤流量變化速度才進行相應調節，其調速流程示意圖如圖4 所示。

圖4 帶式輸送機調速流程示意圖

上位機軟件設計主要有系統管理、監控界面以及數據管理三部分組成。其中，系統管理為上位機軟件的核心部分，主要由值班管理與用戶管理組成；監控界面是直觀展示輸送機狀態的界面，主要由綜合保護狀態、運行參數以及趨勢缺陷三部分組成；數據管理主要是對控制系統的數據進行歸檔與存儲，由數據查詢、數據歸檔以及故障記錄三部分組成。上位機軟件結構示意圖如圖5 所示。

圖5 上位機軟件結構示意圖

4 系統測試

按上述設計方案進行設計研究并應用于晉華宮礦，對通信系統、PLC 控制系統以及上位機系統進行調試后進行實際測試，由測試可知，帶式輸送機運行穩定可靠，運行速度可隨著煤流量的變化進行調節，設備磨損下降，設備電能損耗大幅下降，較應用該系統上一年節約成本約35%。

5 結論

帶式輸送機作為煤礦開采企業的重要運輸設備，常存在大馬拉小車的空載或輕載現象，使得設備磨損加劇，電能大幅浪費。本文針對這一現象進行研究并得出了以下結論：

1）影響總阻力大小的主要因素為皮帶運行速度與煤流量，需對這兩方面進行監測優化。

2）運用PLC 控制器+變頻器的方法進行節能優化設計，輸送機運行穩定，速度調節達到預期目標，設備磨損下降，電能損耗降低。