變頻調(diào)速技術(shù)在選煤廠皮帶輸送機(jī)上的應(yīng)用研究

尹占軍

（華陽南煤集團(tuán)，山西 陽泉 045000）

引言

煤炭洗選作為煤炭生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，需要皮帶輸送機(jī)連續(xù)不斷運(yùn)行方可完成，因此必須保證皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行可靠性，才能確保煤炭洗選的效率和質(zhì)量[1-2]?？刂葡到y(tǒng)作為皮帶輸送機(jī)的重要組成部分，其控制技術(shù)較為關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)皮帶輸送機(jī)工作的停滯，限制選煤廠的生產(chǎn)產(chǎn)量的提升，嚴(yán)重的可能出現(xiàn)安全事故，給企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)應(yīng)用時(shí)存在線路復(fù)雜、可靠性差、控制精度不高等問題，現(xiàn)已不能夠滿足環(huán)保高效生產(chǎn)的要求[6]，因此開展變頻調(diào)速技術(shù)在皮帶輸送機(jī)中的應(yīng)用研究。

1 皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成

皮帶輸送機(jī)的主要作用是將待洗選的煤炭輸送至洗選位置之后將洗選完成的煤炭運(yùn)出，不斷往復(fù)循環(huán)保證煤炭洗選的連續(xù)進(jìn)行。選煤廠使用的某型號(hào)皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，包括輸送帶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾筒、張緊裝置、托輥等部件。輸送帶在驅(qū)動(dòng)滾筒、轉(zhuǎn)向滾筒及托輥等的支撐下形成連續(xù)的煤炭輸送承載面；驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力首先傳輸至減速器進(jìn)行降速增扭，以保證具有足夠的扭矩值實(shí)現(xiàn)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)；張緊裝置可以為傳送帶提供一定的拉力，使驅(qū)動(dòng)滾筒與傳送帶之間產(chǎn)生足夠的摩擦力，實(shí)現(xiàn)輸送帶連續(xù)前移輸送貨物的目的。

圖1 皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)方案

圖2 為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)方案，變頻調(diào)速技術(shù)作為皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)改進(jìn)的基礎(chǔ)，主要依據(jù)PLC 邏輯控制器設(shè)計(jì)而成，控制系統(tǒng)布局設(shè)置為主從結(jié)構(gòu)，采用雙閉環(huán)控制理念，檢測皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸端的轉(zhuǎn)速和位置，利用PID 控制器調(diào)節(jié)皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入頻率，達(dá)到皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)載荷輸出實(shí)時(shí)調(diào)整的目的。主從結(jié)構(gòu)即主站和從站結(jié)構(gòu)，主站設(shè)計(jì)在監(jiān)控室，與上位機(jī)配合接收各個(gè)從站的信號(hào)，記錄顯示皮帶輸送機(jī)的實(shí)施運(yùn)行狀態(tài)，滿足監(jiān)控人員的工作需要。一旦皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，變頻調(diào)速系統(tǒng)可以檢測得到故障的位置，啟動(dòng)故障報(bào)警程序，及時(shí)停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使皮帶輸送機(jī)停止工作。從站中的核心部件為PLC、各類傳感器及相關(guān)附件，主要完成皮帶輸送機(jī)工作現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)及環(huán)境條件數(shù)據(jù)的采集，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶輸送機(jī)的直接控制及對(duì)異常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警保護(hù)。

圖2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)方案

新設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)具有較多的優(yōu)勢：第一是具有實(shí)時(shí)顯示功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了人性化的交互界面，可以實(shí)時(shí)顯示皮帶輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)及故障信號(hào)，如轉(zhuǎn)速、軸溫、跑偏堆煤等信息；第二是防錯(cuò)功能，依據(jù)PLC 邏輯控制器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，具有不同系統(tǒng)功能之間的連鎖閉鎖控制功能，具有很好的防止誤操作的效果；第三是具有軟啟動(dòng)功能，即皮帶輸送機(jī)負(fù)載較大時(shí)，具備低加速度緩慢啟動(dòng)的功能，可以保護(hù)設(shè)備，節(jié)省能耗；第四是故障保護(hù)功能，皮帶輸送機(jī)工作過程中一旦出現(xiàn)打滑、跑偏等故障，系統(tǒng)可以自動(dòng)停車，等待維修。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 選型

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器的功能主要包括以下三點(diǎn)：第一是皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與控制，如驅(qū)動(dòng)滾筒的實(shí)時(shí)溫度、實(shí)際運(yùn)行工況、皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度等的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集，同時(shí)也能通過主站發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制；第二是故障診斷功能，可以對(duì)采集得到的皮帶輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)值進(jìn)行邏輯分析處理，做出是否正常運(yùn)行的判斷；第三是人機(jī)交互功能，主站采集得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以顯示在系統(tǒng)的上位機(jī)，監(jiān)控人員能夠根據(jù)需要控制皮帶輸送機(jī)的啟停等功能?；谙到y(tǒng)PLC 的功能要求，選取了西門子公司S7-200 系列的PLC，型號(hào)為CPU224XP，具有數(shù)據(jù)采集響應(yīng)迅速、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)緊湊、指令豐富，足以滿足變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的要求。

3.2 傳感器選型

傳感器作為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的重要組成部分，是皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能及其皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀況，確定了傳感器類型及對(duì)應(yīng)滿足要求的型號(hào)：速度傳感器型號(hào)為GSH4、溫度傳感器型號(hào)為GWD100、跑偏傳感器型號(hào)為GEJ30、縱撕傳感器型號(hào)為GVY1.5。

3.3 通訊方式配置

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)通訊采用RS485 屬于半雙工通信，其傳輸距離長，可達(dá)1 km 左右，傳輸速度快，可達(dá)10 Mbps，滿足系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸要求。與此同時(shí)，RS485 通訊模式的抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度高，內(nèi)部同時(shí)設(shè)置了平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器，共模性很好。圖3 為RS485 通訊串口接線圖。

圖3 RS485 通訊串口接線圖

4 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速主程序流程如圖4 所示，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行初始化處理，自檢程序無誤之后開始張緊皮帶，以便為其運(yùn)轉(zhuǎn)載物提供足夠的摩擦力。開啟系統(tǒng)通訊模塊，使皮帶輸送機(jī)工作現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集得到的狀態(tài)信息可以快速傳輸至主站監(jiān)控室，涉及皮帶轉(zhuǎn)速、滾筒溫度等。通過PLC 的數(shù)據(jù)處理及分析，可以實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)速度的調(diào)整，重載低加速度啟動(dòng)，輕載高加速度啟動(dòng)，同時(shí)，也可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)值判斷皮帶輸送機(jī)是否出現(xiàn)故障，若出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警停機(jī)，等待處理。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證變頻調(diào)速技術(shù)在選煤廠皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中的應(yīng)用效果，完成了某選煤廠皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)，跟蹤記錄了為期半年的系統(tǒng)運(yùn)行情況。結(jié)果表明，變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足皮帶輸送機(jī)在線調(diào)速的要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于皮帶輸送機(jī)改進(jìn)之前，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用降低了近15%的設(shè)備故障率，提高了皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性；減少了近10%的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，降低了煤炭遴選成本；節(jié)省了近8%電量消耗，為企業(yè)節(jié)約了能源消耗，增加了相同時(shí)間內(nèi)煤炭的運(yùn)輸總量，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。