皮帶運輸機變頻節能控制系統設計

謝明明

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦選煤廠， 山西 古交 030205）

引言

皮帶運輸機（簡稱“皮帶機”）作為煤礦主要運輸設備，其能耗量隨運輸距離及運輸量的增加而不斷增大[1-3]，因此研究針對皮帶運輸機的節能技術及手段對于提高煤礦開采效率，實現節能減排要求至關重要。由于很多皮帶機采用恒轉速運行方式，皮帶機以額定功率恒定運行，而井下采煤量時刻發生著變化，當采煤量較小時，皮帶機處于輕載甚至空載狀態，以恒定轉速運行的皮帶機此時電機做功效率較低，同時磨損增大，不僅會造成大量的電能損耗，還存在過熱甚至起火等安全隱患。目前通過變頻器實現對皮帶機的軟啟動及變頻調速是解決這一問題的主要手段。但是皮帶機的帶速仍需人工通過運載量的實時改變進行確定，判斷誤差較大，無法實現對帶速的連續調節。

通過上述分析可以看出，根據實際生產情況對煤量進行自動識別，并以此控制變頻器輸出對電機功率進行調整，實現帶速與運載量的合理匹配及自動調速控制是實現煤礦皮帶機智能化節能運行的關鍵。針對上述問題，本文采用變頻控制技術對皮帶機電機進行軟啟動控制及轉速調節，并通過傳感器對皮帶機的運載量進行自動識別監測，最終由主控器控制變頻器的輸出對電機功率進行實時調節，實現皮帶機的自適應調速控制，從而有效提高煤礦皮帶機的運行節能性及智能化程度。

1 變頻節能控制系統設計方案

1.1 系統功能需求分析

本文所設計的皮帶機變頻節能控制系統的主要功能是實現對煤量的自動監測識別，并通過負載變化量對皮帶機帶速進行自適應自動調節，從而實現節能運行。變頻控制系統具體功能如下：

1）皮帶機軟啟動及變頻調速控制。系統通過對變頻調速裝置的設計實現皮帶機軟啟動，從而有效減小電機啟動電流；系統通過控制器控制變頻器輸出，從而實現對皮帶機電機轉速的變頻調節。

2）皮帶機運煤量及運行狀態實時監測。系統通過傳感器與控制器實現皮帶機運煤量的實時采集與自動識別，同時可對皮帶機撕裂、跑偏、堆煤等故障情況進行實時監測及報警。

3）具備自動及手動兩種控制模式。系統可根據上位機監控軟件對皮帶機啟停及調速進行自動控制，同時可無擾動切換至手動模式，通過遙控器控制及就地操作方式對皮帶機控制進行手動操作。

4）智能化人機交互平臺。系統通過對控制軟件及人機交互界面的設計實現對皮帶機煤量、變頻器運行參數、皮帶機運行狀態及故障報警等關鍵數據的實時直觀顯示，并具備數據管理、存儲等功能。

1.2 系統總體結構設計

通過對皮帶機變頻節能控制系統主要功能的分析，本文采用模塊化思想對系統整體結構進行設計，系統主要由上位機監控平臺、PLC 主控單元、變頻器驅動單元、數據采集單元及通信網絡等部分組成，系統相應結構如圖1 所示。

上位機監控平臺主要包括智能人機交互界面及操作指示臺，用于對皮帶機運行數據分析監測及控制指令的下達。本文選用PLC 可編程控制器作為系統控制核心，用于接收來自數據采集單元的模擬量參數，通過以太網與上位機實現通信，將控制指令通過Profibus 下達至變頻器用于實時調整皮帶機電機輸出功率及轉速。變頻器通過接收來自PLC 的變頻指令實現對皮帶機電機功率的變頻控制。參數采集單元主要由各類傳感器組成，其中對帶速及運煤量的采集是實現系統煤量自動識別及帶速自適應變頻調節的關鍵，對撕裂、跑偏、溫度等參數的實時監測可為皮帶機運行保護提供必要支撐。系統的通信網絡由工業以太網、Profibus 及RS485 總線構成，分別用于上位機與PLC、PLC 與變頻器、PLC 與電量采集儀的數據交互。

2 硬件平臺設計

皮帶機變頻節能控制系統的硬件平臺架構主要包括PLC 主控單元、數據采集單元及變頻器的選型設計。

2.1 PLC 主控單元設計

本系統中PLC 主控器的主要功能分別為數據采集單元模擬量信號接收、電量采集儀電參數采集、上位機控制指令接收及變頻器模擬控制信號輸出。為了保證系統的控制精度及可靠性，本文選用西門子S7-1500 PLC 作為主控器，中央處理器型號選用1513-1PN，電源模塊型號選擇PM 70W 120/230 VAC。在輸入輸出模塊選型方面，AI 模塊型號選擇SM331，AI 模塊型號選擇SM331，DO 模塊型號選擇SM322，其輸入輸出端口數量可完全滿足本系統需求。

2.2 數據采集單元設計

數據采集單元主要由各類傳感器組成，主要用于對帶速及煤量的實時測量，以及對電機、變頻器等主要設備運行參數及皮帶機跑偏撕裂等故障進行監測，其結構如圖2 所示。

圖2 數據采集單元結構

帶速及煤量數據的準確實時采集對于實現本文皮帶機帶速自適應調節至關重要。本文選用GSD5-I型礦業速度傳感器對皮帶機帶速進行測量，GSD5-I檢測范圍為0～5 m/s，線性度誤差精度為±2.5%，可滿足本系統測量需求。安裝位置選擇為感應端靠近磁鋼的機架處，同時還具備低速打滑保護功能，當保護動作時發出報警并發出皮帶機停止運轉信號。

目前針對煤量監測的設備以皮帶秤為主，主要分為電子皮帶秤和核子皮帶秤兩種類型。電子皮帶秤安裝較為復雜，同時易受皮帶機振動、磨損及張力等因素影響導致測量精度較低。核子皮帶秤的原理是通過運載物料對射線強度的衰減比計算出皮帶機負荷，再乘以此時皮帶機的運行速度即可得出物料瞬時流量、累計量等參數，實現對煤量的非接觸在線連續測量。核子皮帶秤測量精度不受皮帶機狀態影響，精度更高，且安裝維護方便，可靠性高，因此本文選用核子皮帶秤對煤量進行監測，選用型號為HC-2000，在皮帶機正常運行時，其動態累計誤差≤±1%，計量及控制誤差穩定控制在±2%以內，性能穩定，動態測量精度高，可完全滿足本系統對煤量監測精度的需求。

2.3 變頻調速單元設計

本系統的控制對象為機頭三電機驅動皮帶運輸機，為了保證系統控制效果，系統采用一拖一運行方式，通過三臺變頻器對三臺電機進行獨立控制。為了保證三臺電機功率平衡，使其輸出轉速同步，分別設置一臺主變頻器以轉速調節模式作為主傳動運行，其余兩臺均采用轉矩調節模式以從傳動運行實現功率平衡，三臺變頻器均有PLC 主從控制單元進行控制。為了保證系統控制效果，本文在變頻器選型上采用西門子6SR450 型無諧波變頻器對皮帶機電機進行變頻調速控制，其輸入特性優良，功率因數較高，可避免由低功率因數導致的諧波、諧振等影響。同時其輸出波形標準度高，無需設置額外濾波器降低轉矩脈動，可大大降低電機損耗，從而提高皮帶機電機使用壽命。

3 軟件平臺設計

皮帶機變頻節能控制系統除具備電機軟啟動、變頻調速及報警停機等基本功能外，還具備對運行狀態實時監測保護及帶速自適應調節功能，上位機搭載的智能化人機交互界面可用于對主要設備參數的遠程設置及各類控制操作，運行參數及相應曲線可在監控平臺實時顯示，控制系統軟件具體功能如第305頁圖3 所示。

4 結語

本文在傳統皮帶運輸機變頻控制系統的基礎上，將傳感器所采集的帶速及煤量作為反饋量，由PLC主控單元按照調速運算結果對變頻器進行輸出頻率控制，從而實現皮帶運輸機帶速跟隨運煤量實時調整的自適應帶速調節，同時具備皮帶運輸機運行狀態監測功能，有效提高皮帶運輸機節能效果及智能化運行水平。