王 丹

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦， 山西 大同 037003）

引言

帶式輸送機是煤炭開采企業(yè)的主要運輸設備，設備運行安全、高效、節(jié)能對企業(yè)生產(chǎn)至關重要。傳統(tǒng)的帶式輸送機為保證過載情況下設備仍可以可靠運行，故在功率設計時往往留有余量，這就導致在實際生產(chǎn)過程中帶式輸送機的運行往往無法達到滿載狀態(tài)，使得設備處于大馬拉小車的狀態(tài)。設備的空載或輕載運行不斷會造成機械磨損加劇，同時也會造成設備能源大量浪費。針對這一現(xiàn)象，本文擬通過運用PLC 控制器+變頻器的方法對帶式輸送機運行速度進行優(yōu)化控制，以期減少設備磨損，提高能源使用效率。

1 帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)結構設計

帶式輸送機控制系統(tǒng)應包括五大部分，分別PLC控制器、變頻器、電機、上位機以及所需的傳感設備[1]，其結構示意圖如圖1 所示。輸送機可由異步電動機驅(qū)動，配合變頻器調(diào)節(jié)輸出的頻率與電壓，從而實現(xiàn)對皮帶速度的控制。在帶式輸送機運行過程中需對煤流量、皮帶速度以及電量使用情況進行實時監(jiān)測，并對采集到的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，使輸送機運行狀態(tài)達到最佳。運行速度主要通過速度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，煤流量通過電子皮帶秤進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，設備的功率與電流大小通過功率采集模塊進行數(shù)據(jù)采集。將采集數(shù)據(jù)進行匯總分析后，通過PLC 控制變頻器使設備處于最佳運轉(zhuǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能的目的[2]。

圖1 帶式輸送機控制系統(tǒng)結構示意圖

2 控制硬件設計

PLC 控制技術經(jīng)40 年的發(fā)展已逐步發(fā)展成熟，其運用大規(guī)?，F(xiàn)代集成電路技術，經(jīng)過精密制造后，具備可靠性高、抗干擾強、變成靈活、使用方便等特點，較為適合運用于帶式輸送機控制系統(tǒng)設計中[3]。由上文可知，控制系統(tǒng)的硬件需進行PLC 控制器設計、變頻器設計、煤流量監(jiān)測設計、功率監(jiān)測設計以及速度傳感器設計。

2.1 PLC 控制器設計選型

PLC 控制器為帶式輸送機控制系統(tǒng)的主要控制部件，對輸送機控制系統(tǒng)的安全可靠性以及設備節(jié)能性影響巨大。PLC 控制器應在滿足相關要求與設計指標的前提下，盡可能地使設計更為簡單、高效、安全、可靠、經(jīng)濟。同時，功能與容量還應保留一部分的冗余，便于日后設備的改造與維護。由于煤炭企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，控制設備的穩(wěn)定性應成為控制器選型的主要指標之一。本文選用西門子S7-1214PLC 為主控制器。

2.2 變頻器設計選型

變頻調(diào)速技術具有調(diào)速性能優(yōu)良，負載適應能力強等特點，可對帶式輸送機控制系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化。變頻器較為常用的模式為交- 直- 交變換模式，主要包括整流、中間直流以及逆變3 個環(huán)節(jié)，其具體結構示意圖如下頁圖2 所示。

圖2 變頻器結構示意圖

交- 直- 交變換模式的控制方法主要有三種，其具體為：

1）可控整流器調(diào)壓和逆變器調(diào)頻的方法。

2）二極管整流、逆變器調(diào)頻、斬波器調(diào)壓的方法。

3）PWM逆變器調(diào)頻調(diào)壓、二極管整流的方法。

由于PWM 逆變器生成的輸出電壓脈寬在按正弦變化時，可使電動機的電流也按正弦規(guī)律變化，使諧波的影響盡量降低，同時電網(wǎng)波形畸變也可減小，使功率因數(shù)提高，故本文選擇PWM 逆變器調(diào)頻調(diào)壓、二極管整流的控制方法。變頻器的調(diào)速控制采用變頻器的常用調(diào)速方式U/f 恒定控制方式，該方法屬于恒磁通調(diào)速，電壓可隨電源的頻率變化而變化，比值數(shù)值較為恒定[4]，其原理圖如圖3 所示。

圖3 U/f 恒定控制方式原理示意圖

圖3 中，LA 代表加減速單元，VFC 代表壓頻變換單元，μ-COM 代表微型數(shù)據(jù)處理單元，DAC 代表數(shù)模轉(zhuǎn)換。經(jīng)綜合分析，本文變頻器選擇西門子的6ES71 變頻器，也可使系統(tǒng)兼容性更強。

2.3 其他硬件設計選型

煤流量監(jiān)測主要通過皮帶秤進行數(shù)據(jù)采集而實現(xiàn)監(jiān)測，常用的皮帶秤有電子皮帶秤、激光皮帶秤、超聲皮帶秤以及核子皮帶秤。其中，核子與激光皮帶秤使用中帶有輻射，超聲皮帶秤精度較低，故本文選用電子皮帶秤[5]。ICS-ST 電子皮帶秤符合要求，選取該型號為煤流量監(jiān)測設備。

功率監(jiān)測主要通過三相功率采集模塊進行監(jiān)測。本文選用EDA9033A 模塊符合設計要求。

皮帶的速度監(jiān)測可選用GSH5 型速度傳感器，將其安裝在滾筒支架上，運用霍爾原理，當皮帶帶動滾筒旋轉(zhuǎn)可通過傳感器的脈沖信號結合直徑、個數(shù)、單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)量方可計算出運行速度。

3 控制軟件設計

帶式輸送機的控制系統(tǒng)軟件設計主要包括上位機軟件編輯與PLC 控制程序設計兩部分。其中，PLC控制程序設計采用TIA Portal 軟件進行設計；上位機軟件編輯采用WinCC7.3 軟件進行組態(tài)設計。PLC 控制程序中，速度的調(diào)節(jié)主要與煤炭流量有關。在實際設計中，控制器設計不應過于靈敏，防止輸送機速度不斷調(diào)節(jié)，系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行。故調(diào)速程序設計將煤流量劃分為范圍一定的區(qū)間，當煤流量處于對應區(qū)間時，調(diào)節(jié)為相應的速度v。同時，本系統(tǒng)還進行了煤流量擾動設計，3 s 內(nèi)的煤流量不穩(wěn)定變化不予以設定，3 s 外的穩(wěn)定煤流量變化速度才進行相應調(diào)節(jié)，其調(diào)速流程示意圖如圖4 所示。

圖4 帶式輸送機調(diào)速流程示意圖

上位機軟件設計主要有系統(tǒng)管理、監(jiān)控界面以及數(shù)據(jù)管理三部分組成。其中，系統(tǒng)管理為上位機軟件的核心部分，主要由值班管理與用戶管理組成；監(jiān)控界面是直觀展示輸送機狀態(tài)的界面，主要由綜合保護狀態(tài)、運行參數(shù)以及趨勢缺陷三部分組成；數(shù)據(jù)管理主要是對控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行歸檔與存儲，由數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)歸檔以及故障記錄三部分組成。上位機軟件結構示意圖如圖5 所示。

圖5 上位機軟件結構示意圖

4 系統(tǒng)測試

按上述設計方案進行設計研究并應用于晉華宮礦，對通信系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)以及上位機系統(tǒng)進行調(diào)試后進行實際測試，由測試可知，帶式輸送機運行穩(wěn)定可靠，運行速度可隨著煤流量的變化進行調(diào)節(jié)，設備磨損下降，設備電能損耗大幅下降，較應用該系統(tǒng)上一年節(jié)約成本約35%。

5 結論

帶式輸送機作為煤礦開采企業(yè)的重要運輸設備，常存在大馬拉小車的空載或輕載現(xiàn)象，使得設備磨損加劇，電能大幅浪費。本文針對這一現(xiàn)象進行研究并得出了以下結論：

1）影響總阻力大小的主要因素為皮帶運行速度與煤流量，需對這兩方面進行監(jiān)測優(yōu)化。

2）運用PLC 控制器+變頻器的方法進行節(jié)能優(yōu)化設計，輸送機運行穩(wěn)定，速度調(diào)節(jié)達到預期目標，設備磨損下降，電能損耗降低。