基于變頻控制的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉文升

（山西潞安配售電有限公司， 山西 長治 046000）

引言

帶式輸送機(jī)是煤炭生產(chǎn)重要的運(yùn)輸設(shè)備，特點(diǎn)為運(yùn)行時間長，耗電量巨大。帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，煤料承載量實(shí)時變化，輕載或空載現(xiàn)象頻發(fā)，導(dǎo)致電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，設(shè)計帶式輸送機(jī)電動機(jī)功率的余量約為20%～45%，電動機(jī)運(yùn)行效率低于50%，導(dǎo)致“大馬拉小車”的現(xiàn)象。針對這一問題，國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)展開帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)研究，如采用Y-△接法變換提高電動機(jī)效率，即電動機(jī)Y接法無功功率僅為△接法的1/3，而有功功率相等；采用減電機(jī)運(yùn)行的節(jié)能技術(shù)，即帶式輸送機(jī)輕載或空載運(yùn)行時，減少電動機(jī)運(yùn)行數(shù)量；如采用降電壓技術(shù)減少電動機(jī)的功耗，即降低電動機(jī)功率因素，減小負(fù)載電流；如采用開關(guān)磁阻電機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)等降低電動機(jī)能量損耗，提高輸送效率；如采用變頻調(diào)速原理，根據(jù)承載的煤料重量，協(xié)同調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度，達(dá)到煤料與速度的匹配，達(dá)到節(jié)能的目的。以PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)，利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，設(shè)計智能化、高效率的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)軟啟動/變頻啟動的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程的節(jié)能控制。以PLC控制器為中央控制單元，以煤料載重為參考變量，應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)，實(shí)時調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)帶速，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)為：第一，實(shí)現(xiàn)變頻器故障智能檢測，變頻器自身有過壓、過載、欠壓等保護(hù)，為保證節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性，PLC控制器接收變頻器故障信息，經(jīng)邏輯判斷后，向監(jiān)控平臺發(fā)送故障信息，必要時立即保護(hù)停機(jī)；其次，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)自動保護(hù)，即在帶式輸送機(jī)沿線安裝急停按鈕以及堆煤、跑偏、拉繩、撕裂、煙霧等傳感器，將該傳感器數(shù)據(jù)信息傳入PLC控制器，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的自動保護(hù)；第三，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)速度的手動恒速控制、煤量/帶速自適應(yīng)控制，即實(shí)現(xiàn)煤料/帶速的自適應(yīng)匹配，節(jié)約電能[1-3]。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，進(jìn)線為交流6 kV高壓電源，一路經(jīng)高壓饋電開關(guān)后，控制變頻器以及電動機(jī)；一路經(jīng)變壓器降壓后，進(jìn)入低壓饋電開關(guān)柜，為節(jié)能控制系統(tǒng)的低壓設(shè)備提供電源。在該節(jié)能控制系統(tǒng)中，有主井一部1—3號以及主井二部1—3號六個變頻器以及電動機(jī)，采用“一拖一”模式實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動。該節(jié)能控制系統(tǒng)的低壓設(shè)備有張緊裝置、抱閘裝置、照明、風(fēng)扇、皮帶保護(hù)、皮帶綜保以及PLC控制柜等，其中PLC控制柜中安裝有PLC控制器以及擴(kuò)展模塊，是該節(jié)能控制系統(tǒng)的核心部件。

圖1 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖見下頁圖2，中央處理器為PLC控制器，該控制器接收堆煤、撕裂、煙霧等保護(hù)傳感器4～20 mA電流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)達(dá)到該傳感器的報警值后，觸發(fā)報警；PLC控制器以CAN通信模式控制變頻器啟動、停止，同時對變頻器的運(yùn)行模式、給定轉(zhuǎn)矩、給定轉(zhuǎn)速、最高速上限等參數(shù)進(jìn)行控制，驅(qū)動變頻器對帶式輸送機(jī)電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以滿足煤料/帶速自適應(yīng)匹配；速度傳感器、皮帶秤將帶式輸送機(jī)承載的煤料重量以及帶速實(shí)時值傳送給PLC控制器，經(jīng)控制器判斷后，控制變頻器給定轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速，對帶式輸送機(jī)帶速進(jìn)行調(diào)節(jié)。功率采集模塊用于采集變頻器以及電動機(jī)數(shù)據(jù)，傳送給PLC控制器，為其調(diào)速提供數(shù)據(jù)參考。另外，PLC控制器還負(fù)責(zé)將帶式輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息以CAN通信模式傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

3 軟件設(shè)計

帶式輸送機(jī)軟件設(shè)計中模糊控制原理如圖3所示，輸入信號為初始帶速V0，以及安裝于帶式輸送機(jī)機(jī)身的速度傳感器檢測值，經(jīng)模糊控制器模糊化、解模糊等過程后，將模糊算法結(jié)果傳入PLC控制器，由PLC控制器控制變頻器頻率輸出，進(jìn)而控制帶式輸送機(jī)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。該帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速n的取值范圍為0～1 495 r/min，帶速v的取值范圍為0～4.5 m/s，變頻器的頻率f變化范圍為 0～50 Hz，則根據(jù)n/1 495=v/4.5的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)的變頻器的輸出頻率，完成對帶速v的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。速度傳感器實(shí)時檢測帶式輸送機(jī)的帶速，形成閉環(huán)控制[4-6]。

圖3 帶式輸送機(jī)節(jié)能模糊控制原理

4 節(jié)能分析

將所設(shè)計的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦的主斜井帶式輸送機(jī)（其主要技術(shù)參數(shù)見表1所示）。

根據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)量Q與帶速v的正比例關(guān)系可得出不同運(yùn)量下的匹配速度，如式（1）所示：

表1 某煤礦主斜井及其帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

式中：P為帶式輸送機(jī)電動機(jī)的輸出軸功率，n為轉(zhuǎn)速，f為變頻器的輸出頻率。由式（1）可知帶式輸送機(jī)運(yùn)量、帶速、功率以及頻率之間的匹配關(guān)系，如運(yùn)量增加6%，則帶速增加0.095 m/s、電動機(jī)功率增加189 kW。

該煤礦主斜井帶式輸送機(jī)節(jié)能改造前所需電量W=3×1 400×300×18×0.63=14 288 400 kWh。

采用節(jié)能控制系統(tǒng)后，帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)量Q與速度成自適應(yīng)匹配關(guān)系，以平均運(yùn)量計算，當(dāng)實(shí)際運(yùn)量為額定運(yùn)量的50%時，帶速為2.5 m/s，電動機(jī)功率為1 050 kW，則改造后所需電量W'=1 050×300×18=5 670 000 kWh。

節(jié)電效果較為顯著。

5 結(jié)語

帶式輸送機(jī)作為煤礦井下重要的運(yùn)輸設(shè)備，也是高耗能設(shè)備之一，為響應(yīng)國家在煤礦領(lǐng)域節(jié)能降耗的號召，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)基于變頻技術(shù)、PLC控制技術(shù)以及模糊控制技術(shù)的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，分析煤量與帶速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)與匹配關(guān)系，使得帶速能夠根據(jù)煤量的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)電的目的。