皮帶機節能優化智能控制系統的設計

宋慶陽

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司， 山西 呂梁 033207）

引言

在煤礦生產中皮帶機是主要運輸設備，其具有比較高的可靠性與安全性、較強的輸送能力、較強的靈活性等特點，當皮帶機正常運行期間會有比較多的電能被消耗。皮帶機正常運行時，其運輸量一般無法到達額定值，從而出現“大馬拉著小車”的現象，不僅會導致電能被浪費，而且會使磨損其機械結構件，使維保成本增加。現在，由于變頻技術發展的成熟度較高，并在工業領域中廣泛使用。在皮帶機內使用變頻調速控制技術，能夠控制皮帶機的運行，能夠減少電能的浪費，降低設備的磨損，延長使用壽命。以原晉煤集團某礦DTL120/200/3×630 型皮帶機為研究對象，主要對其節能優化智能控制系統進行了研究。

1 皮帶機的整體結構與智能控制系統的整體方案

1.1 皮帶機的整體結構

DTL120/200/3×630 型皮帶機由張緊裝置、皮帶、下托輥、上托輥、改向滾筒、驅動滾筒等組成。當設備正常運行時，會有動力從電機中輸出來，然后傳動系統在把動力傳送至驅動滾筒內，然后驅動滾筒再把皮帶帶動起來運行，并和換向滾筒相配合，使皮帶的運行能夠循環往復，對物料進行運輸。當傳統皮帶機正常運行時，其速度一直是額定速度，就樣就會導致浪費電能，使設備磨損的程度更嚴重。

1.2 智能控制系統的整體方案

在原晉煤集團某礦DTL120/200/3×630 型皮帶機中，電機數量是3 臺，而且3 臺在同一時間進行驅動，在電機正常運行時，會有轉動速度從電機中輸出來，而且輸出的轉動速度和輸入的電流頻率二者呈正比關系[1]。圖1 就是皮帶機的節能優化智能控制系統的整體方案圖。

圖1 節能優化智能控制系統的整體方案

變頻器和電機的數量相同，并且是相對應的，方便控制電機，電機可以由變頻器改變輸入電流頻率，并對其輸出轉速進行調整，而且還配有3 臺配電柜給變頻器。皮帶機在正常運行時，會有耗電量、皮帶速度、煤流量等數據產生，而且這些數據會被檢測儀表與傳感器來進行檢測，并把檢測結果直接傳送到PLC控制器內，然后再處理。在智能控制系統中，其最主要的就是PLC 控制器，PLC 控制器可以分析皮帶機正常運行時的所有參數，并對設備正常運行的速度進行判斷，判斷其是否合適，然后在對電機輸出的調整進行控制。把監控大屏與服務器設置到上位機內，監控大屏與服務器的作用分別是展示數據參數與存儲數據，用于以后對皮帶機正常運行時的狀態進行掌握與研究調取。以太網把上位機和PLC 控制器之間的數據進行傳輸，以ProfiBUS 為基礎，把PLC 控制器和變頻器之間的數據進行交換。

2 設計硬件

2.1 選擇PLC 控制器型號

在對PLC 控制器的型號進行選擇時，使用的是57-1200 型的西門子PLC 控制器。在這個型號的控制器中，包含的數字量輸出接口、模擬量輸入接口、數字量輸入接口的數量分別是10 個、2 個、14 個。模擬量信號與數字量信號會被傳感器所采集，并被直接輸送至PLC 控制器內，并在PLC 控制器內處理，防止A/D轉換，簡化了系統結構。PM1207 是電源模塊的型號，可以把24 V 的直流電源提供給PLC 控制器。1214C是CPU 模塊的型號，能夠很好的對數據進行處理，使系統工作得到滿足。圖2 就是S7-1200 型PLC 控制器的主要模塊構成圖。

圖2 S7-1200 型PLC 控制器的主要模塊構成圖

2.2 選擇變頻器型號

由于要保證變頻器和控制器的兼容性，所以在對變頻器的型號進行選擇時，選擇了3 臺西門子6ES71型的變頻器。而且設備的輸入電壓、額定功率、輸出的電流分別是660～690 V、800 kW、860 A。設備的輸入電源頻率是50 Hz，按照使用來對輸出電源頻率進行調整，調整范圍是20～120 Hz[2]。而且6ES71 型變頻器所具有的功能是拓展，能夠按照實際需要進行擴展，而且所有的矢量控制功能比較強大。

圖3 就是變頻器外接主電路圖，從圖3 中能夠看出，各個交流異步電動機均配備了相應的配電柜與變頻器。并把斷路器設置在配電柜內，若有特殊狀況，就能夠把電機和變頻器的電源切斷來保護，切斷其電源的是斷路器，電機的開啟與關閉可以由變頻器來進行控制。

圖3 變頻器外接主電路圖

2.3 選擇檢測模塊型號

當智能控制系統正常運行時，要檢測皮帶機的耗電量、皮帶速度、煤流量。

1）檢測煤流量。在選擇電子皮帶秤的型號時，其型號所選用的是ICS-ST 電子皮帶秤，該ICS-ST 電子皮帶秤所設計的范圍是煤礦，能夠動態檢測煤流量，可以對累加誤差進行控制，把其控制到0.25%～1%中。從結構方面講，智能采集模塊、重量傳感器、速度傳感器及支架構成了電子皮帶秤。支架中安裝著重量傳感器與速度傳感器，傳感器所采集的全部數據被采集模塊所處理，并對煤流量進行分析。

2）檢測電機功率。EDA9033A 模塊主要作用就是檢測電機正常工作的功率，在變頻器內嵌入該模塊。EDA9033A 模塊有比較廣的檢測區域，電流與電壓二者量程對應的是1～1 000 A 與10～500 V，經過檢測電流與電壓，就能對電機功率進行分析[3]。

3）檢測皮帶速度。GSH5 型速度傳感器使用時滾筒支架內安裝GSH5 型速度傳感器，該傳感器能夠檢測滾筒所轉動的速度，然后再以滾筒半徑為依據來計算皮帶正常運行的速度。

3 設計智能控制系統的軟件

若智能控制系統在調節速度時靈敏度過好，就會造成設備不能穩定運行，而且還會更加消耗功率。該系統把煤礦運輸的重量進行了劃分，而且劃分的區間比較多，若某個區間的重量有變化發生時，就不用調節速度，唯有在重量超過某個區間之后，方能調整速度。圖4 為節能優化智能控制系統速度調節流程圖。

圖4 節能優化智能控制系統速度調節流程

當開啟控制系統之后，就會檢測其煤流量，在有3 s 的延時之后，煤流量目前所在的區間就會被PLC控制器所判斷出來，繼而在以相應的區間速度為基礎來調節控制皮帶的速度。此類調節速度方案能夠保證真正運輸的煤流量和皮帶實際的運轉速度是彼此相匹配的。若對皮帶檢測時得知，其真正運輸的煤流量不在設備所承受的區域中，就會有警告從系統中發出，設備被控制后停止，防止設備由于超負荷運行而導致損傷過于嚴重。

4 結語

在DTL120/200/3×630 型皮帶機工程中使用了該節能優化智能控制系統，并測試了該皮帶機的運行成效。經過使用發現，當進行測試過程中，系統能夠穩定運行，沒有故障發生，能夠以皮帶對煤礦物料所運輸的重量為基礎，來調整其工作的速度，使用效果能夠符合預期。當采煤工藝一直不變時，來對比新系統在使用之前與之后電能被皮帶機所消耗的狀況，在使用新系統之后節約了20%左右的電能，可進一步促進皮帶機的節能增效，使煤礦企業的經濟效益得到提高。