基于變頻調(diào)速的皮帶智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張德明

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦，山西太原030022）

傳統(tǒng)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)采用工頻控制模式，即給定皮帶運(yùn)輸機(jī)額定速度，不考慮載荷情況。該控制模式可導(dǎo)致皮帶長時(shí)間處于空載、輕載狀態(tài)，造成電能浪費(fèi)。同時(shí)，皮帶運(yùn)輸機(jī)工頻啟動時(shí)，會產(chǎn)生較大的瞬時(shí)啟動電流，對機(jī)械部件造成大的電流沖擊，縮短皮帶運(yùn)輸機(jī)使用壽命，增加故障發(fā)生率[1]。

其問題還包括：

1）無法實(shí)現(xiàn)精確控制，驅(qū)動多臺電動機(jī)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率一致。

2）運(yùn)行效率低下，運(yùn)行過程中會產(chǎn)生熱量，需配置制冷裝置。

3）無法實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的軟起、軟停，機(jī)械磨損嚴(yán)重。

為解決皮帶運(yùn)輸機(jī)工頻控制模式的缺點(diǎn)，文章以煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)為研究對象，采用變頻控制技術(shù)、CAN 總線通訊技術(shù)以及組態(tài)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的智能控制。

1 控制原理分析

皮帶輸送機(jī)采用交流異步電動機(jī)驅(qū)動滾筒運(yùn)行，交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為：

式中：p為電動機(jī)極對數(shù)，s為電動機(jī)轉(zhuǎn)差率，對指定電動機(jī)而言，參數(shù)p和s為恒定值。

電動機(jī)定子頻率f1發(fā)生變化時(shí)，相關(guān)參數(shù)也會發(fā)生變化并影響調(diào)速性能。因此，在調(diào)節(jié)電動機(jī)f1時(shí)必須與電壓調(diào)節(jié)匹配，其中交流異步電動機(jī)定子線電壓可表示為[2-3]：

定子感應(yīng)電動勢有效值為：

當(dāng)忽略定子阻抗壓降時(shí)有：

式中：I1為定子電流；Z1為定子等效阻抗；ω1為定子繞組系數(shù)；f1為定子頻率；Φm為主磁通；kwl為定子繞組串聯(lián)匝數(shù)。

由式（4）可知，f1下降時(shí)，轉(zhuǎn)速n和Φm下降。當(dāng)定子線電壓U1不變時(shí)，U1與E1的差值會增大，定子電流I1會增加，會導(dǎo)致電動機(jī)的功率因素降低，影響電動機(jī)的負(fù)載能力。因此，基于變頻控制技術(shù)，當(dāng)皮帶輸送機(jī)負(fù)載量較小時(shí)，通過變頻器降低電動機(jī)運(yùn)行頻率，降低皮帶運(yùn)行速度，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象發(fā)生。

皮帶智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理見圖1，由調(diào)度層、控制層組成。控制層用于控制皮帶的運(yùn)行、停止、加減速以及故障巡查等。按照控制器、變頻器、電動機(jī)、減速器模式驅(qū)動滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動皮帶運(yùn)行?？刂破髋c變頻器之間按照通訊模式+ 硬連接雙冗余控制模式完成指令、數(shù)據(jù)傳輸，保證變頻驅(qū)動的可靠性與安全性。為監(jiān)測皮帶運(yùn)行狀態(tài)，在皮帶沿線安裝速度、跑偏、溫度、縱撕、打滑等傳感器，將皮帶運(yùn)行狀態(tài)傳送至控制器并參與邏輯控制、故障報(bào)警等。調(diào)度層由上位機(jī)HMI監(jiān)控平臺組成，除可實(shí)時(shí)顯示皮帶運(yùn)行狀態(tài)信息、參數(shù)設(shè)置信息、故障報(bào)警等，還可完成對皮帶的遠(yuǎn)程控制，如遠(yuǎn)程啟動、遠(yuǎn)程停止等。控制層中的控制器以CAN總線通訊模式將皮帶運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

圖1 皮帶智能控制系統(tǒng)原理

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于變頻調(diào)速的皮帶智能控制系統(tǒng)用到的核心硬件部件包括控制器、傳感器、變頻器以及上位機(jī)HMI等?？刂破髦饕瓿傻墓δ苡心M量/ 數(shù)字量數(shù)據(jù)采集、CAN總線通訊、邏輯控制、數(shù)據(jù)計(jì)算及存儲以及故障診斷。選用EPEC3724 控制器為該控制系統(tǒng)的核心CPU，能夠適應(yīng)煤礦井下惡劣使用環(huán)境，防護(hù)等級較高，穩(wěn)定性好。選用三菱的SA-1000 高壓變頻器，采用矢量變頻電力驅(qū)動模式，調(diào)速范圍寬、控制精度低，啟動電流小，對電網(wǎng)沖擊小，能夠?qū)崿F(xiàn)多電動機(jī)驅(qū)動功率平衡，功率因素高，運(yùn)行成本低，能夠達(dá)到節(jié)能的效果。傳感器中的速度傳感器安裝于被動轉(zhuǎn)動部件，可精確、實(shí)時(shí)監(jiān)測皮帶帶速并發(fā)出故障報(bào)警信號；溫度傳感器用于監(jiān)測驅(qū)動滾筒溫度，當(dāng)溫度超限后，發(fā)出溫度報(bào)警信號；跑偏傳感器安裝于皮帶兩側(cè)，堆成安裝，間距為30～50 m；縱撕傳感器用于監(jiān)測皮帶的撕裂信號，輸出為0～10 V電壓信號，監(jiān)測精度小于等于0.02 F.S。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

基于變頻調(diào)速的皮帶智能控制系統(tǒng)控制層PLC程序采用ST語言進(jìn)行編寫，按照皮帶智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，劃分為初始化模塊、基本邏輯處理模塊、變頻控制模塊、故障處理模塊、通訊處理模塊、上位機(jī)HMI數(shù)據(jù)處理模塊等。設(shè)計(jì)的變頻控制模塊以及故障處理模塊PLC程序設(shè)計(jì)流程見圖2。皮帶運(yùn)輸機(jī)開始運(yùn)行后，控制器首先對輸送信息進(jìn)行檢測、存儲，如果當(dāng)前輸送量為額定輸送量，則保持帶速；如果實(shí)際輸送量與當(dāng)前帶速不匹配并不能達(dá)到節(jié)能效果，則增加/ 減少變頻器運(yùn)行頻率，進(jìn)而自適應(yīng)調(diào)節(jié)皮帶帶速。調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率的間隔為1 Hz，即每調(diào)節(jié)一次增加或減少的變頻頻率為1 Hz。為保證皮帶運(yùn)輸機(jī)穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，對運(yùn)行過程中的故障需進(jìn)行預(yù)測和處理，如減速機(jī)斷軸、皮帶打滑、皮帶跑偏、皮帶散料、電動機(jī)過熱等。當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，需對控制柜進(jìn)行停機(jī)控制并停止電動機(jī)工作，待故障解決后重新上電。

圖2 皮帶運(yùn)輸機(jī)PLC 程序設(shè)計(jì)流程

3.2 HMI程序設(shè)計(jì)

基于變頻調(diào)速的皮帶智能控制系統(tǒng)調(diào)度層上位機(jī)軟件基于King SCADA組態(tài)軟件完成，程序設(shè)計(jì)框圖見圖3，由用戶界面、系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面、手動控制界面以及預(yù)警界面四部分組成。控制層控制器以CAN總線通訊模式將皮帶運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)傳送給King SCADA組態(tài)軟件平臺。King SCADA平臺將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后映射至本地變量并完成動態(tài)鏈接、實(shí)時(shí)更新[4-5]。通過該上位機(jī)HMI監(jiān)控平臺，可完成用戶登錄/注銷/注冊；可實(shí)時(shí)查看帶速、輸送量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線；可對皮帶電動機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動、停止以及調(diào)速控制；可對傳感器的閾值范圍進(jìn)行設(shè)置并查詢、監(jiān)測報(bào)警信息。

圖3 皮帶運(yùn)輸機(jī)HMI 程序設(shè)計(jì)框圖

4 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于變頻調(diào)速的皮帶智能控制系統(tǒng)的實(shí)用性和正確性，在某煤礦井下用皮帶運(yùn)輸機(jī)完成工業(yè)性試驗(yàn)。選用的皮帶運(yùn)輸機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，考慮不同額定帶速情況時(shí)，實(shí)際輸送量為額定輸送量的70%、60%以及50%時(shí)皮帶帶速調(diào)整值，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2，為皮帶最佳運(yùn)行速度。

表1 皮帶運(yùn)輸機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻方案最佳運(yùn)行模式可由式（5）～（8）決定[6]：

式中：Q額定為皮帶運(yùn)輸機(jī)額定輸送量，t/h；V額定為額定輸送速度，m/s；S為物料面積，m2；k為調(diào)節(jié)系數(shù)，可查表；ρ 為輸送機(jī)的物料密度，kg/m3；Φ 為比例系數(shù)，可查見表2。由式（5）～式（8）可知，皮帶變頻調(diào)速時(shí)的頻率和變頻后的帶速是同步變化的，且變化率相同，都為Φ。

表2 皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻方案速度調(diào)整統(tǒng)計(jì)

額定速度/（m/s）實(shí)際輸送量為50%時(shí)速度調(diào)整/（m/s）4.43.102.662.23 4.83.412.922.44 5.13.612.902.46 5.33.723.192.66 5.63.933.362.81實(shí)際輸送量為70%時(shí)速度調(diào)整/（m/s）實(shí)際輸送量為60%時(shí)速度調(diào)整/（m/s）

5 結(jié)語

采用變頻控制模式，根據(jù)物料承載狀態(tài)，自適應(yīng)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)皮帶帶速，可避免空載、輕載、超載情況發(fā)生，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)皮帶電動機(jī)保護(hù)軟停機(jī)，降低啟動電流，延長皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)械部件的使用壽命[7-8]。