許亞龍

（晉能控股裝備制造集團華越機械有限公司奧倫膠帶分公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

皮帶輸送機是實現(xiàn)礦井連續(xù)輸送的重要設備，保證其安全、可靠、高效、節(jié)能運行，是提高礦井整體收益和經濟效益的關鍵[1]。目前，我國大部分的皮帶輸送機都是以恒定功率運轉為主，當皮帶輸送機在無負載或者負載較低的情況下運行時，傳動裝置的有效功率占比很少，從而導致了電動機的工作效率下降，消耗了大量的電能。為了解決這一問題，本文采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，將傳感器和變頻技術相結合，實現(xiàn)了皮帶輸送機的節(jié)能變頻控制。該系統(tǒng)利用傳感器對當前煤量進行自動辨識，并根據(jù)煤量的多少對電動機功率進行實時調整，以達到皮帶輸送機運輸系統(tǒng)中輸送帶速度和煤量的合理匹配和變頻調速，有效地改善了皮帶輸送機的運行節(jié)能性。

1 皮帶輸送機節(jié)能變頻控制系統(tǒng)總體方案設計

本文提出了一種基于變頻調速控制的皮帶輸送機節(jié)能變頻控制系統(tǒng)，通過對煤量、電機功率、帶速進行合理的匹配，使輸送帶速度隨著煤量的改變而不斷地調整，其主要作用有：節(jié)能運行的效果。該變頻調速系統(tǒng)可以根據(jù)煤的實時載量對驅動電機的供電頻率進行動態(tài)調節(jié)，使皮帶輸送機能夠進行變頻調速，并能有效地減少能耗，達到節(jié)約能源的目的。遠距離通信功能。該系統(tǒng)采用工業(yè)以太網以及Profibus 通信協(xié)議，建立了一個遠距離通信網絡，可以實時將皮帶輸送機的運行工況信息進行采集并上傳。上位機的監(jiān)測。該系統(tǒng)可以對輸送帶輸送機的主要工作參數(shù)，如煤量、速度、電機電流、通信、故障報警、保護等進行實時監(jiān)控，并利用上位機對運輸全過程進行管理、統(tǒng)計和分析。全面的防護作用。該系統(tǒng)采用一體化的安全防護系統(tǒng)，對皮帶輸送機輸送帶跑偏、帶面溫度過高、超速打滑、堆煤、煙霧超量以及電機失效等進行故障實時監(jiān)控和報警，此外還具備拉線急停、閉鎖急停、沿線查詢等功能。

在分析了控制系統(tǒng)的功能基礎上，提出了基于模塊化設計的總體設計思路，并將其分為PLC 主控模塊、上位機監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行模塊4 部分，主要包括PLC 控制器、監(jiān)控計算機、各種傳感器、綜合保護裝置、變頻器等。

PLC 控制模塊是整個控制系統(tǒng)的控制中心，該控制模塊通過工業(yè)以太網和Profious 通信協(xié)議與主機、執(zhí)行單元下達變頻調速、數(shù)據(jù)采集以及信息上傳等控制指令。上位機監(jiān)測模塊的人機交互接口可以實現(xiàn)皮帶輸送機的各種操作參數(shù)的實時顯示，并可以達到故障報警、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計以及遠程控制等效果。該系統(tǒng)包括皮帶速度傳感器、皮帶秤以及綜合防護系統(tǒng)，實時監(jiān)測皮帶輸送機的帶速和煤量，其內部還集成了溫度、煙霧、跑偏、撕裂、電流等多種傳感器，實現(xiàn)皮帶輸送機的全面保護。該執(zhí)行單元主要含有一個變頻器，該變頻器接收到PLC 主控模塊的頻率控制信號，調節(jié)皮帶機的輸入功率，達到變頻調速的目的。

2 硬件方案設計

該控制系統(tǒng)的硬件裝置結構主要由PLC 主要控制單元、監(jiān)控上位機、變頻器、帶速傳感器、皮帶秤、綜合保護裝置等組成，如圖1 所示，為變頻控制系統(tǒng)硬件結構示意圖。

圖1 變頻控制系統(tǒng)硬件結構示意圖

其中，PLC 的主控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，正確合理的選擇各模塊是保證控制精度和數(shù)據(jù)采集可靠度的重要因素[2]。該系統(tǒng)采用西門子S7-1500 系列可編程控制器，采用1513-1 PN 通用CPU 作為核心。S7-1500 系列PLC 可以同時支持32 個模塊的工作，達到了該系統(tǒng)的性能指標要求。本系統(tǒng)的供電模塊為P70W120/230 V 交流電源，為CPU、輸入、輸出、通信模塊等提供24 V 直流電壓，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。除了CPU 和供電模塊之外，主機還需要接收各種類型的模擬量和來自主機的數(shù)字信號，所以還需要提供模擬過程的數(shù)字輸入和輸出模塊，這些模塊包括SM321、SM322、SM331、SM332 等。本系統(tǒng)為每一臺皮帶輸送機配有3 個變頻器，可根據(jù)PLC 的變頻器進行變頻驅動，以達到皮帶輸送機的動態(tài)調速效果。該變頻器選用三菱TMDrive-MVGC 型高壓變頻器，其額定容量為2000 kVA，過載能力200%，額定輸入電壓為50 Hz、10 kV 交流電壓，額定輸出電壓為6 kV，其變頻技術采用了多級串聯(lián)和二極管整流橋，使設備的功率因數(shù)和可靠性得到了極大的改善。變頻器整體結構內部具有進口干絕緣變壓器，能更好地保護電動機。

選擇ICS-30A 皮帶秤來動態(tài)地識別輸送帶的運煤量，ICS-30A 皮帶秤具有1～4000 t/h 的質量范圍，內部裝有4 個精密稱重傳感器，其測量準確率可達到±2.5%，可以實現(xiàn)對煤量參數(shù)的采集和識別。采用GSC4 礦用本安式皮帶機轉速傳感器，該傳感器精度達到0.1%，靈敏度1%，能準確地采集皮帶輸送機的轉速。對于保護裝置選擇KHP128 礦用皮帶輸送機綜合防護設備，對皮帶輸送機設置堆煤、溫度、速度、跑偏、煙霧、撕裂、雙向急停開關以及防爆電磁閥等八種防護措施，KHP128 具有集中控制功能，可對皮帶輸送機的正常啟停操作，確保皮帶機安全運行。

3 軟件方案設計

PLC 主控程序的主要內容是對皮帶輸送機的正常啟停、運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，通過變頻調速手段對其運行參數(shù)進行動態(tài)調整[3]，如圖2 所示，為PLC主控程序流程。在主程序運行時，首先對皮帶輸送機的啟動過程進行預警，設定自檢保護；在系統(tǒng)防護正常的情況下，對皮帶機進行正常的啟動，然后通過PLC 主控模塊進行參數(shù)測量，對輸送帶進行帶速、煤量等參數(shù)的監(jiān)控，通過計算機對采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理，然后將控制命令發(fā)送給PLC 進行調速控制，使皮帶輸送機進入調速工作狀態(tài)。

圖2 PLC 主控程序流程

參數(shù)測控子程序主要是通過各種傳感器將帶速、煤量等關鍵參數(shù)傳送給PLC 控制器中，然后通過PLC將所收集的數(shù)據(jù)送到計算機進行分析計算，最后經由PLC 將控制信號輸出到變頻設備，實現(xiàn)帶式輸送機的速度調節(jié)。圖3 為參數(shù)測量子程序的流程示意圖。

圖3 參數(shù)測控子程序流程

4 煤礦帶式輸送機變頻節(jié)能系統(tǒng)的應用價值討論

4.1 皮帶輸送機功率與帶速的關系

在煤炭開采和運輸過程中，隨著產量的提高，輸送帶的送煤能力增大，能源消耗也相應增大。以往的傳送帶裝置、減速器以及電機型號等都是固定的，運轉速度也是不變的，這就不可避免地要消耗額外的電能。在皮帶輸送機中，最大的影響因素有兩個，即輸送能力和輸送帶速度。在不改變輸送能力的情況下，其功率與帶速呈正比例關系。這樣，在保證輸送能力的情況下，可以通過控制皮帶運行速度來降低電機的功耗。

4.2 帶式輸送機變頻調速控制系統(tǒng)的節(jié)能效果

假設皮帶輸送機的輸送能力為500 t/h，在改變輸送帶的速度后，每段輸送帶的煤量會發(fā)生變化。在相同的運煤量條件下，隨帶速降的降低，每段長度的物料質量增加，皮帶裝載率增加，電機功耗降低。也就是說，在輸送相同品質的煤時，減慢輸送帶速度，可使輸送帶的每一段距離達到額定工作狀態(tài)，并使設備電動機的動力得到充分的發(fā)揮，從而減少能源消耗。由此可知，采用變頻調速控制系統(tǒng)結合PLC 技術，可調節(jié)電機轉速，優(yōu)化輸送功率，達到節(jié)能效果。表1 中列出了具體的試驗數(shù)據(jù)。

表1 皮帶輸送機功率隨帶速變化情況

5 結語

對于原始皮帶輸送機運輸系統(tǒng)的節(jié)能效果較差的問題，本文以PLC 作為控制核心，同時搭配變頻驅動技術，設計出了一種皮帶輸送機節(jié)能變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有控制精度高、節(jié)能性好的特點，可以借助傳感器自動辨識煤量的大??；同時通過PLC 控制變頻器，實現(xiàn)了輸送帶運行速度的動態(tài)調節(jié)效果，為煤礦井下運輸系統(tǒng)的節(jié)能效果提供了可靠保障。