陳龍龍

（國能蒙西煤化工股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)營科，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯）

煤礦帶式輸送機在運行時，會在空載、輕載、滿載等多種狀態(tài)下不斷變換。由于目前多數(shù)帶式輸送機都是采取恒頻定速控制，運量發(fā)生改變后帶速仍然維持原樣，容易出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，造成能量的浪費。為了響應(yīng)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展的號召，必須要將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到煤礦帶式輸送機上，通過實時監(jiān)測當前的運量和帶速，根據(jù)程序運算判斷兩者是否為最佳匹配；如果不匹配，則利用變頻器調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，使兩者重新恢復(fù)最佳匹配，讓帶式輸送機在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上始終維持低能耗運行。

1 帶式輸送機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文基于變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計的帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)由檢測模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊3 部分構(gòu)成，核心設(shè)備有帶速傳感器、PLC 控制器、變頻調(diào)速器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

系統(tǒng)的檢測功能由輸送機皮帶秤和帶速傳感器共同實現(xiàn)，前者負責(zé)采集運量信號，后者負責(zé)采集帶速信號，收集到的信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)閿?shù)字信號送入PLC 中。PLC 控制器順利接收檢測信號后，利用內(nèi)置程序完成智能判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出控制指令，執(zhí)行模塊的變頻器根據(jù)控制指令改變電動機的電壓，實現(xiàn)電機啟停、功率平衡、速度與頻率調(diào)節(jié)等多項控制功能[1]。使用變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)后，可以讓運量與帶速兩個變量之間始終維持最佳匹配關(guān)系，從而兼顧效率與節(jié)能，讓帶式輸送機以最佳工況運行。

2 變頻調(diào)速節(jié)能控制器的設(shè)計與選型

2.1 雙CPU 冗余技術(shù)

PLC 控制器是變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，除了中央處理器（CPU）外，還包括存儲器、I/O 接口、電源等?？紤]到帶式輸送機的運行環(huán)境復(fù)雜，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性與安全性，本文在設(shè)計中采用了雙CPU 冗余技術(shù)。同時，每一臺CPU 使用獨立的電源供電和獨立的通信模塊，兩臺CPU 一主一備，提高了系統(tǒng)的容錯能力。其中一臺CPU 作為主控系統(tǒng)，對全部設(shè)備進行監(jiān)控；另一臺CPU 作為備控系統(tǒng)，同步監(jiān)測主控制系統(tǒng)的運行[2]。當監(jiān)測到主控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，立即切換至備控系統(tǒng)，確保帶式輸送機的正常使用。在CPU 的選型上，選用了羅克韋爾公司生產(chǎn)的ACN15 型可編程控制器，通過局域網(wǎng)與前端設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.2 節(jié)能控制器設(shè)計

本文基于變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計的帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)，是由PLC 根據(jù)負載變化不斷調(diào)節(jié)變頻器的電源頻率，在滿足帶式輸送機運行需要的前提下最大程度的降低能源消耗。PLC 控制器的程序設(shè)計如下：

（1） 主控制程序。PLC 主程序能夠?qū)崿F(xiàn)從起車預(yù)警、保護自檢，到數(shù)據(jù)檢測和變頻調(diào)速等整個過程的控制。在帶式輸送機啟動后，通過保護自檢判斷車機工況是否正常。如果檢測到異常，則直接報警；如果未檢測到異常，則車機正常啟動。主控制程序如圖2所示。

圖2 PLC 主控制流程圖

（2） 啟動預(yù)警程序。此程序的功能是實現(xiàn)開車預(yù)警，系統(tǒng)在接收到啟動指令后，隨即運行啟動預(yù)警程序，依次進行兩個判斷程序“保護自檢是否正常？”“制動閘是否松閘？”如果自檢異常，則進行聲光報警，同時禁止啟動；同樣的，如果檢測到制動閘未松閘，則立即松閘。然后油泵上電啟動，并檢測油泵是否正常。在油泵正常運行后，選擇風(fēng)扇啟動模式，有“手動”和“自動”兩種模式，選擇對應(yīng)模式后啟動風(fēng)扇[3]。完成上述自檢程序后，變頻器投入運行。

（3） 帶速和煤量測量程序。帶速和煤量是帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的2 個關(guān)鍵輸入量，前端傳感器將采集到的帶速和煤量2 種模擬信號輸入到PLC 控制器中，由PLC 完成數(shù)據(jù)計算、分析，根據(jù)預(yù)設(shè)程序輸出模擬信號，變頻器接收該信號后調(diào)控電機轉(zhuǎn)速。帶速和煤量的測量與PLC 控制程序如圖3 所示。

圖3 帶速和煤量測量控制流程圖

除了上述主要程序外，帶式輸送機變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)的程序還有功率平衡控制程序、節(jié)能調(diào)速控制程序、制動停車控制程序、聯(lián)鎖互鎖控制程序等。

3 變頻調(diào)速裝置設(shè)計

3.1 變頻調(diào)速原理

變頻器（VFD）根據(jù)直流工作回路的不同，可以分為電壓型和電流型兩種類型，本文基于帶式輸送機的運行特點和控制需要，選擇電流型變頻器。其結(jié)構(gòu)主要包括輸入濾波模塊、整流模塊、直流濾波模塊、制動模塊和逆變模塊等。其中，輸入和輸出濾波模塊的功能是抑制變頻器對系統(tǒng)中其他電氣設(shè)備產(chǎn)生射頻干擾恒流模塊可以改變電壓與頻率，使交流電變成直流電；轉(zhuǎn)換后的直流電存在高次諧波，因此在設(shè)計變頻調(diào)速裝置時還加入了直流濾波模塊，能夠消除高次諧波、抑制電流脈動。變頻調(diào)速原理如下：

交流電動機的轉(zhuǎn)速（v）與電源頻率（F）、電動機轉(zhuǎn)差率（n）和電動機的極對數(shù)（m）有關(guān)，計算公式如下：

結(jié)合上式可知，要想調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，可以從電動機的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、極對數(shù)3 方面做出調(diào)整。其中，轉(zhuǎn)差率和定子繞組的極對數(shù)在電動機出廠時已經(jīng)確定，無法改變；只能調(diào)節(jié)電源頻率來改變電動機的同步轉(zhuǎn)速[4]。基于此，本文提出了一種V/F 比恒定控制方式，實現(xiàn)帶式輸送機的變頻調(diào)速。

3.2 變頻調(diào)速裝置的設(shè)計

本文研究的帶式輸送機由3 臺電動機同步驅(qū)動，每1 臺電動機配備1 臺三菱MVG-2000/10/6k 型變頻器，進行“一拖一”運行。3 臺電動機在1 臺主從控制器的控制下相互獨立運行，相互之間保證速度同步和轉(zhuǎn)矩平衡。其中1 臺變頻器為基于速度控制的主傳動；另外2 臺變頻器為基于轉(zhuǎn)矩控制的從傳動，控制原理如圖4 所示。

圖4 主斜井帶式輸送機控制原理圖

PLC 控制器和變頻器位于地面配電室，利用局域網(wǎng)實現(xiàn)通信，保證了控制響應(yīng)的速度。變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

（1） 負荷檢測與電機速度給定控制。根據(jù)當前負荷，實現(xiàn)變速器的分級調(diào)速。以壓力突變檢測儀檢測數(shù)據(jù)和實際負載作為開關(guān)量輸入信號，當負載發(fā)生變化時，對應(yīng)的給定值也會改變，基于限流加速技術(shù)調(diào)節(jié)變速器的速度；（2） 變頻器故障檢測。當變頻器出現(xiàn)欠電壓、過電壓、接地短路等故障時，可以自動進行故障報警。PLC 根據(jù)故障信息作出決策，保證系統(tǒng)運行的可靠性；（3） 上位機通訊。在變速器和上位機之間建立通信，提高了前端數(shù)據(jù)的上傳效率和終端指令的下達速度，通過靈活調(diào)速達到理想的節(jié)能效果[5]。

4 變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用效果

某煤礦的主斜井井筒長度3 177 m，傾角為5.8°，垂直高度325 m，煤的松散容重為884 kg/m3。帶式輸送機的輸送能力為2 920 t/h，額定帶速為6.2 m/s，托輥間距1.5 m，托輥槽角35°，傳動滾動摩擦系數(shù)0.3，基本參數(shù)見表1。

表1 主斜井帶式輸送機基本參數(shù)表

使用上文設(shè)計的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)控制帶式輸送機，對比該系統(tǒng)使用前后帶式輸送機的運輸效率和節(jié)能效益。

4.1 運輸效率對比

結(jié)合帶式輸送機的基本參數(shù)，平均每小時的運量（Q）可由下式求得：

上式中，M 表示礦井設(shè)計含量，這里取5×106t/a；a 表示每年工作天數(shù)，這里以330 天計；b 表示每天的工作時數(shù)，這里取16 t/d。將各項數(shù)據(jù)帶入上式后，求得帶式輸送機平均每小時的運量約為947 t/h。相應(yīng)的，帶式輸送機的冗余比（λ）為：

在改造前，帶式輸送機無論是在滿載、空載還是輕載狀態(tài)，都保持恒定速度運行，運輸效率不高；使用變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)后，會根據(jù)運量的不同靈活調(diào)節(jié)帶速，通過變速運行提高了運輸效率。

4.2 電氣節(jié)能對比

主斜井有2 臺帶式輸送機同步作業(yè)，平均輸出功率42 Hz。根據(jù)往年帶式輸送機的運行情況，變頻器是消耗功率大約為額定功率的60%。1#輸送機的全年耗電量（W1）為：

同理可以求得2# 輸送機的全年耗電量W2為1.04×107kWh。使用變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)進行改造后，帶式輸送機變頻器的平均輸出功為40 Hz，電動機輸出功率為710 kW，改造后1#輸送機的全年耗電量（M1）為：

同理可以求得2#輸送機改造后的全年耗電量為0.96×107kWh。改造前后的能耗對比見表2。

表2 帶式輸送機改造前后能耗情況對比表（單位：kWh）

由表2 數(shù)據(jù)可知，使用本文設(shè)計的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)進行改造后，帶式輸送機每年可節(jié)約0.29×107kWh 的電量，節(jié)電效率（η）為：

改造后節(jié)電效率達到了12.2%，節(jié)能效益顯著。

5 結(jié)論

帶式輸送機是煤礦開采作業(yè)的重要設(shè)備，也是主要的能耗設(shè)備?；谧冾l調(diào)速技術(shù)設(shè)計帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)，根據(jù)帶式輸送機的當前運量調(diào)整帶速，保證帶速和運量為最佳匹配。在滿足煤礦運送需求的前提下，降低了帶式輸送機的電能浪費，達到了節(jié)能降本的目的。從實踐應(yīng)用來看，本文設(shè)計的變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能效率可以達到12.2%，達到了設(shè)計預(yù)期。