盧 凱

（山西孝義西山德順煤業(yè)有限公司， 山西 孝義 032300）

引言

膠帶運輸系統(tǒng)輸送距離長、運行時間長、磨損量大、能耗量大，工作容量約占全礦井容量的30%，設備冗余功率容量的20%。為降低煤礦生產成本、提升經濟效益、節(jié)能降耗，將變頻控制調速技術應用于煤礦膠帶輸送機控制系統(tǒng)成為必然。變頻調速技術的調速性能優(yōu)異、啟動/制動效果優(yōu)越，并具有高效率、高功率因素的特點，使得膠帶輸送機趨于智能化、節(jié)能化和經濟化[1-2]。傳統(tǒng)膠帶輸送機采用工頻拖動、液力耦合器傳動的控制方案，存在的主要問題有傳動效率低、啟動電流沖擊大、機械部件磨損嚴重、多機驅動功率失衡、電能浪費嚴重等。目前膠帶輸送機控制系統(tǒng)的研究主要集中在逆啟順停流程控制、運行狀態(tài)監(jiān)測、故障分析與預判以及變頻調速等方面。將智能變頻控制技術應用膠帶輸送機需主要解決的問題有：實現(xiàn)平滑啟動與制動；可根據(jù)物料流量實時控制電動機加速或者減速，保證膠帶輸送機運行于最佳狀態(tài)，能夠適應頻繁調速；具備完善的故障保護、實時通信功能；具備監(jiān)控并累計膠帶輸送機運輸物料總體統(tǒng)計功能[3-5]。文章基于智能變頻控制技術，詳細分析該方案的實現(xiàn)過程以及實際應用情況。

1 智能變頻控制系統(tǒng)組成

膠帶輸送機智能變頻控制系統(tǒng)組成如圖1 所示，設計雙電源進線變頻柜，進線為1 140 V 交流電源，在該變頻器柜內部安裝有兩個BPJ-315/1140 型變頻器，還包括電抗器以及組合開關，用于“一拖一”模式控制膠帶輸送機的電動機1 以及電動機2。設計膠帶輸送機操作控制臺，包括控制器、HMI、操作按鈕等，與變頻控制柜進行CAN 總線通信并完成對變頻器1以及變頻器2 的控制。設計膠帶輸送機綜合保護系統(tǒng)，通過監(jiān)測安裝在膠帶輸送機機身的速度傳感器、煙霧傳感器、撕裂傳感器、溫度傳感器等值，判斷膠帶輸送機是否發(fā)生故障，并將檢測到實時數(shù)據(jù)傳送至膠帶輸送機操作控制臺中的控制器進行判斷和邏輯控制[6]。膠帶輸送機運行時需實時檢測物料流量，經控制器處理后實時調節(jié)膠帶帶速。電動機1 以及電動機2 通過自身攜帶的編碼器將電動機的實時轉速傳送給控制器，形成速度閉環(huán)控制。另外，為保證膠帶輸送機的安全性，設計制動單元以及制動電阻，保證膠帶輸送機安全停機。同時該系統(tǒng)還包括超溫自動灑水裝置、沿線急停閉鎖裝置，增強膠帶輸送機的安全性。

圖1 膠帶輸送機智能變頻控制過程

2 智能變頻控制系統(tǒng)工作原理

膠帶輸送機智能變頻控制系統(tǒng)接通電源后，按下操作控制臺的啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作，如圖2 所示。變頻器、控制器、液壓抱閘系統(tǒng)、綜合保護系統(tǒng)、速度檢測系統(tǒng)、制動單元等按照程序設定順序執(zhí)行。膠帶輸送機啟動后，將液壓抱閘打開，發(fā)出膠帶啟動報警，延時2 s 后膠帶輸送機起車并將其運行信號反饋至操作控制平臺。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將故障信號反饋至操作控制平臺并執(zhí)行停車過程并觸發(fā)抱閘停車。

圖2 膠帶輸送機智能變頻控制系統(tǒng)工作原理

3 方案實現(xiàn)

3.1 硬件

膠帶輸送機智能變頻控制系統(tǒng)硬件連接示意圖如圖3 所示，主要由控制系統(tǒng)、人機界面、變頻器、故障檢測單元、報警裝置以及溫度、速度、電流、保護等傳感器檢測單元組成。

圖3 膠帶輸送機智能變頻控制系統(tǒng)硬件連接示意圖

控制系統(tǒng)有PLC 控制器及其擴展模塊組成，選用 PLC 控制器選用西門子 S7-300 系列的CPU314C-2DP 緊湊型CPU，內置16 個DI/DO 復用端口、4 個AI/AO 復用端口，支持CAN、Profibus DP 通信，可將傳感器信號轉換為標準的電壓或者電流信號。編程時基于STEP7 軟件平臺，支持LAD、ST、FBD等多種編程語言[7]。控制器輸入、輸出點配置詳見表1所示。變頻器選用的型號為BPJ-315/1140，該變頻器的額定功率為315 kW，額定電壓為1 140 V，額定電流為200 A，輸出頻率為0～50 Hz，該變頻器可作為起動設備使用，實現(xiàn)對恒力矩負載重載起動，又可以作為調速設備使用，根據(jù)其負載情況完成膠帶輸送機的調速控制的要求[8-9]，與原軟起動方式相比，減少了對輸送機的損傷，減少了開機時皮帶抖動，可以重載啟動，提高了開機率等優(yōu)點[10]。

表1 膠帶輸送機智能變頻控制系統(tǒng)控制器輸入、輸出點配置

3.2 軟件

膠帶輸送機智能變頻控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)基于STEP7 軟件平臺，采用ST 語言編程實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)主要包括控制方式選擇、工作方式選擇、啟動過程變頻調速、穩(wěn)態(tài)過程變頻調速、就地方式啟?？刂?、模擬量處理等部分。圖4 所示為膠帶輸送機穩(wěn)態(tài)過程變頻調速控制流程?？刂破鲗崟r采集膠帶輸送機機頭、機尾電動機輸出電流值I1以及I2，計算ΔI=I1-I2。對于膠帶輸送機機頭電流I1，當I1=Imax，分ΔI≤5%Ie、ΔI≥10%Ie以及5%Ie≤ΔI≤10%Ie三種情況分別完成變頻器的頻率調節(jié)并完成膠帶輸送機的加速、減速過程，詳細控制流程見圖4 所示。

圖4 膠帶輸送機穩(wěn)態(tài)過程變頻調速控制流程

4 應用情況分析

采用智能變頻控制方案的膠帶輸送機在某煤礦完成實際應用， 該膠帶輸送機的型號為DSJ120/150/2×315，滿載平均輸送量為1 500 t/h，非滿載平均輸送量為800 t/h，帶速為3.5 m/s，年輸送物料為180 萬t，滿載運行工作時間為全年工作時間的60%。表2 所示為該煤礦使用的膠帶輸送機功率、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。

表2 膠帶輸送機功率、能耗數(shù)據(jù)

該膠帶輸送機的年滿載工作時間可表示為t1=年非滿載工作時間表示為

由表2 可知，當膠帶輸送機的帶速為3 m/s 時，滿載消耗功率為625 kW，非滿載消耗功率為377 kW，以電價0.5 元/kW·h 計算，該膠帶輸送機年耗電電費可表示為C1=625×720×0.5+377×900×0.5=225 000+169 650=39.465 萬元。

采用智能變頻調速方案后，膠帶輸送機非滿載時帶速調節(jié)為1.5 m/s，消耗功率為235 kW，則該膠帶輸送機年耗電電費可表示為C2=625×720×0.5+235×900×0.5=225 000+105 750=33.075 萬元。

則采用智能變頻控制方案后，該膠帶輸送機年節(jié)約電費可表示為ΔC=C1-C2=39.465-33.075=6.39 萬元。

膠帶輸送機采用智能變頻調速方案后，不但取得較好的經濟效益，而且降低了機械損耗和機械故障發(fā)生率，進一步提升了膠帶輸送機的機械損耗費用和工作效率。

5 結語

采用智能變頻控制技術完成的膠帶輸送機控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)膠帶輸送機實際物料流量調節(jié)變頻器輸出頻率，進而完成對膠帶帶速的實時調節(jié)，避免長時間空載或者輕載，造成電能浪費。應用該控制方案后，年節(jié)約電費約6.39 萬元，同時保證了膠帶輸送機高效、穩(wěn)定、安全運行。