管華夏

（大同煤礦集團(tuán)同地益晟煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

帶式輸送機(jī)作為連續(xù)運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，已廣泛應(yīng)用于各煤炭開(kāi)采企業(yè)。隨著采掘技術(shù)的不斷提高，帶式輸送機(jī)也逐漸向長(zhǎng)距離、高負(fù)載、大帶寬、高帶速的大型帶式輸送機(jī)方向發(fā)展，這就對(duì)帶式輸送機(jī)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)存在“大馬拉小車(chē)”，電能消耗巨大，能源損耗率較高的問(wèn)題，針對(duì)這一現(xiàn)象提出了采用變頻控制技術(shù)對(duì)大型帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高大型帶式輸送機(jī)的設(shè)備性能，減少能源損耗率，提升設(shè)備節(jié)能環(huán)保性能。

1 大型帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)概述

大型帶式輸送機(jī)的變頻控制系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為檢測(cè)模塊、控制模塊以及執(zhí)行模塊。部件主要有傳感器、PLC 可編程控制器、變頻器、皮帶秤以及人機(jī)對(duì)話(huà)裝置等[1-2]。檢測(cè)模塊主要是通過(guò)帶式輸送機(jī)的皮帶秤與帶速傳感器進(jìn)行運(yùn)量模擬信號(hào)與帶速度信號(hào)采集，然后將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信息即可傳輸至PLC 可編程控制器；控制模塊的工作過(guò)程為：PLC可編程控制器接受到檢測(cè)模塊的信號(hào)后，進(jìn)行智能分析，經(jīng)過(guò)判斷過(guò)濾后，可對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)行速度、功率、電機(jī)啟停等方面進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)由運(yùn)輸量的多少進(jìn)行系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)[3-4]。當(dāng)變頻器接收到PLC 可編程控制器的控制頻率信號(hào)后，執(zhí)行模塊會(huì)按照系統(tǒng)的預(yù)定設(shè)置將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)頻率的電壓信號(hào)并傳輸至電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)依據(jù)給定電壓進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)要求。大型帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)總體系統(tǒng)圖如圖1 所示。變頻控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)目標(biāo)為可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定皮帶機(jī)頻率同時(shí)保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，PLC 可編程控制器可自主進(jìn)行節(jié)能控制，無(wú)須人工操作。

2 PLC 可編程控制器設(shè)計(jì)

2.1 雙CPU 冗余技術(shù)

PLC 可編程控制器作為變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的主要部件，其主要功能為對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并進(jìn)行控制指令的發(fā)出。PLC 控制系統(tǒng)主要由CPU、I/O、傳感器、存儲(chǔ)器、設(shè)備編程器以及系統(tǒng)電源組成。其中，傳感器主要負(fù)責(zé)頻率信號(hào)、模擬量、開(kāi)關(guān)量等信息的采集，然后通過(guò)I/O 數(shù)據(jù)接口可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至內(nèi)部存儲(chǔ)器中；CPU 的功能為對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷分析，并將生成的控制指令輸出；計(jì)算機(jī)終端主要是用戶(hù)進(jìn)行設(shè)備以及傳感器監(jiān)控的設(shè)備。

雙CPU 冗余技術(shù)是指在控制系統(tǒng)中設(shè)置雙電源、雙通訊以及雙CPU 模塊，運(yùn)用容錯(cuò)技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備[5-7]。當(dāng)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)置一臺(tái)CPU 為主控制，負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的控制，另一臺(tái)CPU 設(shè)置為備用控制，主要起系統(tǒng)控制監(jiān)控作用。當(dāng)主控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在錯(cuò)誤或者故障時(shí)，通訊模塊會(huì)立即發(fā)送指令到備用CPU，由主控制CPU控制系統(tǒng)切換為備用CPU 控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)CPU控制的有序銜接，防止設(shè)備因CPU 故障無(wú)法使用。

2.2 PLC 控制系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化主要需通過(guò)輸送機(jī)負(fù)載大小的變化來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而控制運(yùn)行速度，減少能源消耗。要想達(dá)到上述目的，首先應(yīng)在輸送機(jī)運(yùn)行后，系統(tǒng)進(jìn)行控制的同時(shí)加入檢測(cè)與變頻器的環(huán)節(jié)，其次要合理分配輸入與輸出的節(jié)點(diǎn)，建立模塊控制。本文主要采用皮帶秤進(jìn)行負(fù)載大小的檢測(cè)，分別在皮帶機(jī)與輸送機(jī)處各安裝一個(gè)皮帶秤。皮帶秤將采集到的信息傳輸給PLC 后，PLC 會(huì)依據(jù)輸送機(jī)的負(fù)載數(shù)據(jù)與原設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，將控制結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后傳輸給皮帶機(jī)處的變頻器，從而實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)速度的控制。皮帶機(jī)處的皮帶秤主要功能為數(shù)據(jù)矯正，使速度控制更為精準(zhǔn)[8]。本文PLC 選取美國(guó)羅克韋爾公司的ControlLogix5000 1756 系列PLC 為主要控制核心。

PLC 的控制程序可分為主程序、起動(dòng)預(yù)警程序、測(cè)量程序、功率平衡程序、節(jié)能調(diào)速程序、制動(dòng)停車(chē)程序、緊急停車(chē)程序、連鎖互鎖程序以及基本保護(hù)程序等。其主要控制流程圖如圖2 所示。起動(dòng)預(yù)警控制程序、測(cè)量程序、功率平衡程序以及節(jié)能調(diào)速程序?yàn)橹饕诵某绦?。通過(guò)將傳感器檢測(cè)到的煤量、速度、電壓、電流等信號(hào)轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)量，通過(guò)PLC 進(jìn)行判斷分析后，可按照預(yù)先設(shè)置的控制邏輯進(jìn)行運(yùn)算，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)傳輸至變頻器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻控制[9]。起動(dòng)預(yù)警程序主要是實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)各部分的順序穩(wěn)定起動(dòng)；測(cè)量程序?yàn)閿?shù)據(jù)采集程序；功率平衡程序主要是通過(guò)采集電機(jī)信號(hào)，調(diào)節(jié)變頻器從而使得功率平衡；節(jié)能調(diào)速程序則為輸送機(jī)速度控制，其具體控制流程如圖3 所示。

圖2 PLC 主控制流程示意圖

圖3 節(jié)能調(diào)速程序控制流程示意圖

3 變頻器設(shè)計(jì)

變頻器主要由整流單元、輸入濾波單元、直流濾波單元、逆變單元、制定單元以及輸出濾波單元組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

變頻器可分為交- 交變頻器與交- 直- 交變頻器兩種。交- 直- 交變頻因其頻率調(diào)節(jié)范圍較廣，使用場(chǎng)合較多，調(diào)節(jié)頻率可高于進(jìn)線(xiàn)電源頻率，較為適合于上述系統(tǒng)。交- 交變頻器雖調(diào)節(jié)效率較高，能量返回電網(wǎng)較為方便，但其輸出波形較差、最高頻率的輸出頻率必須小于輸入頻率的1/3、1/2，故限制了其使用范圍，不適合于上述系統(tǒng)。

變頻調(diào)速的控制算法共有三種，分別為V/f 比恒定控制算法、矢量控制算法以及直接轉(zhuǎn)矩控制算法[10]。其中，V/f 比恒定控制算法為最早的變頻調(diào)速方法，但因其低速性能較差，不適合于該系統(tǒng)；直接轉(zhuǎn)矩控制是利用電機(jī)定子電壓與電流，運(yùn)用空間矢量、定子磁場(chǎng)分析、直接在坐標(biāo)系中進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩與磁鏈，運(yùn)用兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器，依據(jù)給定值與比較值的比較實(shí)現(xiàn)控制，使轉(zhuǎn)矩控制在一定范圍內(nèi)。相比于矢量控制方法，其簡(jiǎn)化了控制器結(jié)構(gòu)與控制方法，響應(yīng)更快，故本文使用直接轉(zhuǎn)矩的控制方法[11]。變頻器本文選擇東芝三菱的MVG-2000/10/6K 型變頻器，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

4 系統(tǒng)測(cè)試

按上述方法對(duì)大同煤礦集團(tuán)某煤礦主斜井帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，通過(guò)調(diào)試PLC 可編程控制器、PLC 控制系統(tǒng)以及變頻器，完成了帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行速度測(cè)試分析得帶式輸送機(jī)實(shí)際速度與理論速度對(duì)比圖如下頁(yè)圖5 所示，速度調(diào)節(jié)符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制測(cè)試、高低壓設(shè)備單控測(cè)試、變頻調(diào)速測(cè)試、功能測(cè)試以及節(jié)能測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)半年內(nèi)未發(fā)生相關(guān)故障，速度可隨負(fù)載的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，設(shè)備電能消耗大幅度降低，按0.65 元/kW·h 的電價(jià)進(jìn)行計(jì)算，一年約可節(jié)省295.8萬(wàn)元，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，達(dá)到節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)。

圖5 帶式輸送機(jī)實(shí)際速度與理論速度對(duì)比圖

5 結(jié)論

1）運(yùn)用變頻控制技術(shù)的方法可對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化改造，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載的大小，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，從而可以達(dá)到節(jié)能優(yōu)化的目的。

2）運(yùn)用變頻控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、故障率低、電能消耗下降，一年約可節(jié)省295.8 萬(wàn)元，降低了企業(yè)成本。