基于變頻調速的皮帶機節能控制技術研究

王明會

（西山煤電（集團）有限公司屯蘭選煤廠，山西 太原 030200）

引言

皮帶機是一種依靠驅動電機和輸送帶進行物料運輸的設備，具有傳輸效率高、經濟性好、結構簡單的優點，是煤礦上物料運輸的核心裝備。特別是隨著皮帶機系統不斷朝著高帶速、大運量、長距離發展，皮帶機系統的運行穩定性對煤礦物料運輸效率和經濟性的影響越發突出。受井下綜采作業效率的影響，皮帶機上的煤炭分布經常會出現變化，在不同的時間其負載狀態不同，但皮帶機均以最高速運轉，不僅能耗高而且會加劇皮帶機系統的磨損，降低其使用壽命。

結合帶式皮帶機的物料運輸需求及節能降本的發展趨勢，本文提出了一種新的基于變頻調速的皮帶機節能控制技術，以視頻監控和變頻控制為核心，通過建立煤量-帶速最佳匹配模型，將煤量作為調整依據，通過變頻系統對輸送帶的運行帶速進行靈活調整。根據實際應用表明，新的控制系統能夠將皮帶機運行平均帶速降低23.4%，將運行能耗降低11.6%，對提升皮帶機系統的運行經濟性和可靠性具有十分重要的意義。

1 節能控制系統結構

結合皮帶機節能運行控制需求，本文所提出的皮帶機節能運行控制系統采用了模塊化的結構設計方案，包括上位機系統，井下數據控制中心及變頻控制系統三個部分[1]。上位機用于顯示皮帶機的運行狀態及調整情況，井下數據控制中心用于對監測系統監測到的負載情況、運行帶速進行監測，對負載-帶速匹配情況進行分析，確定是否對皮帶機的運行狀態進行調整。變頻控制系統主要是接收數據控制中心的調整信號，然后輸出變頻控制信號，對皮帶機運行的帶速進行靈活調整。該皮帶機節能控制系統整體結構如圖1 所示。

圖1 皮帶機節能控制系統結構示意圖

井下數據控制中心的核心為PLC 控制器，通過CAN 數據網絡和上位機相連通，利用PROFIBUS 數據通信結構[2]和變頻控制系統相連接，保證整個皮帶機節能控制系統數據通信的可靠性和穩定性。

在系統運行的過程中，控制中心接收到視頻傳感器、帶速傳感器等監測設備傳輸的監測信息，快速完成對皮帶機運行狀態、煤量、帶速等數據的對比分析，對皮帶機的運行情況進行自動判斷，將調整信號傳輸到變頻控制中心，實現對皮帶機系統煤量-帶速的匹配運行調節，提高皮帶機系統的運行經濟性。

2 控制系統硬件結構設計

在皮帶機控制系統中，PLC 控制器的運行穩定性直接決定了系統的調節精度和可靠性，在進行結構選型時，選擇了西門子的6ES71 型變頻控制裝置，其具有多模塊通信接口，能夠根據不同的控制需求進行拓展，滿足不同情況下的控制需求。不同的功能由對應的處理模塊進行數據分析處理，數據處理速度快、穩定性高。該系統的硬件控制結構如圖2 所示[3]。

圖2 變頻調速控制系統硬件結構示意圖

由上頁圖2 可知，在該系統中上位機對PLC 控制器發出調節控制指令，然后PLC 控制器進行數據分析后通過控制變頻器來對皮帶機的運行情況進行控制。同時系統將速度傳感器、視頻重量監測信息、各項保護傳感器所監測到的數據進行分析，對皮帶機的運行狀態進行實時監測，提高皮帶機系統的控制靈活性。

3 基于視頻監測的煤量測量系統

該皮帶機節能控制的核心是根據煤量的情況靈活調整皮帶機的運行帶速，因此對煤流量監測的準確性直接決定了該系統的使用可靠性，傳統的依靠電子秤進行稱重的方案[4]，受落料沖擊和皮帶機運行影響大，精確性和時效性不足，難以滿足動態監測需求，因此本文提出了一種基于視頻監測的煤量測量系統，其測量模式如圖3 所示[5]。

圖3 基于視頻監測的煤量測量系統

在該視頻監控系統內，其視頻采集單元主要是利用高清數字攝像儀從煤礦井下獲取高清的視頻圖像，然后采用模式識別方案對視頻圖像進行分割和處理，獲取單位時間內皮帶機上的數據信息。為了保證對落料監測的準確性，系統根據瞬時煤量、輸送帶的長度及落料點位置，對輸送帶上煤量的分布進行修正，提高數據分析的可靠性，使監測數據最大化的表示皮帶機上煤炭分布的實際情況。根據實際應用，該視頻監測系統的監測結果和輸送帶上的實際煤量分布偏差約為1.2%，滿足對皮帶機帶速調整的監測需求。

4 變頻驅動控制

傳統的皮帶機驅動系統只能以定轉速的形式運行，因此在該系統中采用了永磁同步電機[6]作為皮帶機系統的驅動電機，其能夠直接輸出相應的幅值、頻率，減少了傳統控制模式中的液力耦合器、減速器等，提高了驅動系統的控制靈活性和穩定性，皮帶機變頻驅動控制結構如圖4 所示[7]。

由圖4 可知，該控制系統采用了變頻器直接驅動電機的控制模式，有效的降低了驅動系統的復雜程度，減少了故障發生的概率。

圖4 皮帶機變頻驅動控制結構示意圖

目前該基于變頻調速的皮帶機節能控制系統已經在多個煤礦投入應用，根據對優化前后的情況進行對比，優化后皮帶機的平均運行帶速由4.7 m/s 降低到了目前的3.6 m/s，帶速降低了23.4%。在運行過程中的能耗比優化前平均降低了11.6%，顯著提升了皮帶機系統的運行經濟性和可靠性。

5 結論

針對皮帶機在運行過程中能耗高、磨損大、壽命低的不足，提出了一種基于變頻調速的皮帶機節能控制技術，以視頻監控和變頻控制為核心，通過建立煤量-帶速最佳匹配模型，實現了對輸送機系統運行帶速的智能調整，根據實際應用表明：

1）皮帶機節能運行控制系統采用了模塊化的結構設計方案，包括上位機系統，井下數據控制中心及變頻控制系統三個部分；

2）視頻監測系統的監測結果和輸送帶上的實際煤量分布偏差約為1.2%，滿足對皮帶機帶速調整的監測需求；

3）以永磁同步電機作為皮帶機系統的驅動電機，減少了傳統控制模式中的液力偶合器、減速器，提高了驅動系統的控制靈活性和穩定性；

4）新的控制系統能夠將皮帶機運行平均帶速降低23.4%，將運行能耗降低11.6%，對提升皮帶機系統的運行經濟性和可靠性具有十分重要的意義。