B1200 型帶式輸送機節能改造分析及應用

郭崢嶸

（晉能控股煤業集團大地選煤工程（大同）有限責任公司，山西 大同 037001）

麻家梁選煤廠使用B1200 型帶式輸送機，其三臺電機配置西門子變頻器6ES71，啟停控制由西門子S7-300PLC 完成，系統運行輸出功率恒為40 Hz。（1）由于輸送機輸出功率恒為40 Hz，當皮帶載荷接近空載或者減小時，甚至滿載時，不僅會損耗大量電能，且設備利用率不足，不符合節能環保要求；（2）不能實時監測煤流量，無法滿足現有生產需求，需要升級優化改造。

1 控制系統設計

針對麻家梁選煤廠用B1200 型帶式輸送機能耗大，對輸送機節能控制系統進行設計。一是合理監測煤流量、物料輸送速度以及皮帶運轉速度；二是可將接收的數據傳至輸送機節能控制系統中，并對比獲得的這些數據，進而實現輸送機以最小能耗運行的控制系統[1]。設計B1200 型帶式輸送機節能系統結構如圖1。

圖1 帶式輸送機節能系統結構設計圖

1.1 硬件設計

麻家梁選煤廠控制系統以PLC 為核心，圖2 為帶式輸送機硬件結構設計圖。圖2 中，CPU 以PLC為控制核心，選用S7-1200 控制芯片，不僅可控制其他組件設備，還可完成數據傳輸、故障診斷[2]等；采用ICS 電子皮帶秤，組成部分有稱重、計算、測速及通訊；選用超聲波料位計型號為SBD/STD，其微處理輸出標準信號為4～20 mA；采用防爆型交流變頻器為BPJ 系列，能夠很好地完成輸送機的功率平衡、軟啟動及調速控制[3]等。麻家梁選煤廠采用分時運行模式，即不同時段不同的速度。此外，還有速度傳感器、保護傳感器和功率采集模塊。

圖2 系統硬件結構圖

設計B1200 型帶式輸送機PLC 控制系統主要有輸入輸出點統計、選型PLC 模塊以及分配I/O 地址等。其中統計輸入輸出點：結合麻家梁選煤廠生產要求，將PLC 整個控制系統分成18 個數字和2個模擬輸入量。

PLC 模塊選型：采用CPU1214C DC/DC/DC 為主控器，自帶2 點模擬輸入，14 點、10 點數字量輸入輸出；電源采用PM1207 模塊，提供24 V 直流電源；采用SM1221 DI8×24V DC為數字量I/O模塊；采用SM1231 AI4×13bit 為模擬量輸入模塊；采用CM1241(RS422/485)、CM1243-5 為通信模塊。

I/O 地址分配：合理分配模擬量輸入地址、數字量輸入輸出地址，見表1。

表1 地址分配表

1.2 軟件設計

（1）軟啟動控制設計

通過PLC 軟啟動控制系統可實現輸送機的平穩啟動，主要是利用變頻器的變頻調速啟動，采用“S”型[4]啟動模式。初始階段啟動頻率慢慢上升，延后10 s 進入“S”型加速模式，直到輸送機運轉速度達到設置值，并將其轉速信號輸出，輸送機軟啟動控制隨即完成。流程圖如圖3。

圖3 帶式輸送機軟啟動控制流程圖

（2）調速控制設計

在選煤廠實際生產作業中，由于控制器的靈敏設計以及持續變化的煤流量，就會造成輸送機時不時地在調節其運轉速度，不能穩定運行。為使煤流量擾動對系統的影響降到最低，將煤流量劃分為n個區間，即[Q0,Q1][Q1,Q2]……[Qn-1,Qn]，每個煤流量區間最低輸送機功率損耗對應其運行速度依次為V0、V1……Vn-1。運行中，依據煤流量的大小，控制系統確定其所在的區間范圍，并確定輸出皮帶對應的速度，從而達到輸送機節能運行的目的。

為實現系統的穩定性控制，還要抑制因煤流量不斷變化產生的擾動[5]。當煤流量波動區間在[Q0,Q1]，輸送機運行速度為V0，但是當其從[Q0,Q1]突變至[Q1,Q2]，此時需要判別煤流量變化情況：若3 s 內，煤流量＆gt;Q1，表明煤流量確實發生變化，此時需要重新設定輸送機速度；若3 s 內，煤流量又回落至[Q0,Q1]范圍內，可判定輸送機速度不變。調速流程圖如圖4。

圖4 帶式輸送機調速流程設計圖

1.3 WINCC 組態設計

WINCC 是適用范圍廣且功能較多的監控軟件[6]，其與上位機相連接，建立直觀可視界面。麻家梁選煤廠通過應用WINCC 軟件可以隨時監控帶式輸送機運行中的壓力、溫度、流量以及運轉等，并且可以依據這些數字和圖形顯示過程值，當這些值達到或者超出預設值時，系統就會發出報警信號，快速判別系統故障運行情況，進而提高現場作業人員和設備的安全度。節能優化設計監控圖如圖5。

圖5 帶式輸送機監控設計界面

當輸送機正常運轉時，其呈現綠色運行狀態；當控制系統出現故障時，其呈現紅色運行狀態；當控制系統停止運行時，其呈現黑色運行狀態。在WINCC 監控畫面，可以獲得輸送機的供給、運轉速度以及系統總功率。

麻家梁選煤廠B1200 型輸送機監控系統有兩種運行模式，即恒速、節能。其中，恒速運行是讓輸送機以最大的運轉、供給速度保持運轉；而節能運行是依靠變頻器，在不同時間段調節運轉、供給速度，讓輸送機始終保持最優狀態，使系統的能耗降到最低。

2 系統調試及運行

根據麻家梁選煤廠用B1200 型帶式輸送機實際運行情況，對比分析系統在恒速和節能工況運行一周的耗電量情況見表2。

表2 恒速和節能工況耗電量對比表

當運輸2 萬t 時，對比分析恒速和節能兩種模式的能耗情況，節能運行耗電量、總電價是W節、J節，恒速運行是W恒、J恒，計算如下：

耗電量 ：

總電價：

通過分析公式（1）～（4），相比于輸送機控制系統恒速運行，節能運行時耗電量降低30.02%，總電價降低43.1%，達到預期節能效果。

3 結論

對麻家梁選煤廠用B1200 型帶式輸送機進行整體架構優化設計，采取變頻控制，利用WINCC 軟件完成系統實時監控和遠程控制，實現系統控制最優化運行，達到了預期節能效果。