皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用

王譜棟

(山西焦煤 西山煤電(集團(tuán))公司 東曲煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中重要的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，確保其安全、可靠、高效、節(jié)能運(yùn)行對(duì)于提升整個(gè)煤礦的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[1-4]。隨著全國煤礦規(guī)模及智能化程度的不斷提高，運(yùn)輸距離長、運(yùn)煤量大、皮帶速度高、更大功率的高性能皮帶機(jī)的應(yīng)用也愈加廣泛，而由此帶來的電能損耗增大及效率低下問題凸顯，因此針對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

受井下煤質(zhì)及采掘量動(dòng)態(tài)變化的影響，煤礦開采的不均衡性較大，在不同時(shí)間段皮帶運(yùn)輸機(jī)的實(shí)際運(yùn)量存在較大波動(dòng)。目前國內(nèi)大多數(shù)皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)仍采用恒功率運(yùn)行方式，當(dāng)皮帶機(jī)處于空載或輕載狀態(tài)時(shí)，皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有功做功較小，使得電機(jī)運(yùn)行效率降低，造成大量的電能耗費(fèi)。部分采用變頻器啟動(dòng)的皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)并未充分利用變頻器的變頻調(diào)速特性，無法將運(yùn)煤量與帶速相匹配進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，變頻器只起到了軟啟動(dòng)作用，無法達(dá)到節(jié)能效果。針對(duì)上述問題，本文結(jié)合傳感器及變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)了一套以PLC為控制核心的皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前煤量，并由PLC通過煤量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)帶速與煤量的合理匹配與變頻調(diào)速，從而有效提高皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[5,6]。

1 皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的皮帶輸送機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)是在恒頻率控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上將煤量、電機(jī)功率及帶速進(jìn)行合理匹配從而實(shí)現(xiàn)帶速隨煤量變化連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)主要功能如下：

(1) 節(jié)能運(yùn)行功能。變頻控制系統(tǒng)可通過煤炭運(yùn)載量動(dòng)態(tài)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的變頻調(diào)速，有效降低功率損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

(2) 遠(yuǎn)程通訊功能。系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)及Profibus通訊協(xié)議構(gòu)建遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)，并通過光纖交換機(jī)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)及控制指令的上傳下達(dá)。

(3) 上位機(jī)監(jiān)控功能?？刂葡到y(tǒng)可通過上位機(jī)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的煤量、帶速、電機(jī)電流等主要運(yùn)行參數(shù)及通訊、故障報(bào)警、保護(hù)等各項(xiàng)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)整個(gè)運(yùn)輸過程通過上位機(jī)進(jìn)行管理、統(tǒng)計(jì)及分析。

(4) 綜合保護(hù)功能?？刂葡到y(tǒng)通過對(duì)綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶輸送機(jī)皮帶跑偏撕裂、溫度過高、超速打滑、堆煤、煙霧超量、電機(jī)故障等狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)還具備拉線急停、閉鎖急停和沿線查詢等功能。

根據(jù)上述對(duì)控制系統(tǒng)功能的分析，本文采用模塊化思想對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，按照不同功能將系統(tǒng)劃分為PLC主控模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及執(zhí)行單元模塊4大部分，主要包括PLC、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、各類傳感器及綜保裝置、變頻器等設(shè)備，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PLC主控模塊為該系統(tǒng)的控制核心，PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus通訊協(xié)議分別與上位機(jī)和執(zhí)行單元模塊中的變頻器進(jìn)行通訊，用于實(shí)現(xiàn)智能變頻調(diào)速、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集上傳、控制指令下達(dá)等控制功能。上位機(jī)監(jiān)控模塊中的人機(jī)交互界面可對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程控制等功能。數(shù)據(jù)采集模塊主要由帶速傳感器、皮帶秤及綜合保護(hù)裝置組成，對(duì)皮帶輸送機(jī)的帶速、煤量兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，綜合保護(hù)裝置內(nèi)部集成了溫度、煙霧、跑偏、撕裂、電流等各類傳感器，在對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)還起到綜合保護(hù)作用。執(zhí)行單元模塊主要由變頻器組成，變頻器通過接收PLC主控模塊的頻率控制信號(hào)對(duì)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入電源的頻率進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速功能[7,8]。

圖1 皮帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括PLC主控器、監(jiān)控上位機(jī)、變頻器、帶速傳感器、皮帶秤、綜合保護(hù)裝置的選型及設(shè)計(jì)，變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC主控器是該控制系統(tǒng)的核心硬件，其模塊的合理選型是保證系統(tǒng)控制精度及參數(shù)采集可靠性的關(guān)鍵。本系統(tǒng)選用西門子S7-1500系列可編程控制器，其中央處理器選用1513-1PN型通用CPU模塊。S7-1500系列PLC最高可支持32個(gè)模塊同時(shí)運(yùn)行，完全滿足本控制系統(tǒng)的性能要求。電源模塊采用PM 70W 120/230VAC為CPU、輸入輸出模塊、通訊模塊等提供DC 24 V電壓，保證主控器穩(wěn)定運(yùn)行。除CPU及電源模塊外，主控器還需對(duì)各類傳感器的模擬量信號(hào)及上位機(jī)下達(dá)的數(shù)字量輸入信號(hào)傳送，因此還需設(shè)置模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)。

該控制系統(tǒng)給每臺(tái)皮帶輸送機(jī)配備3臺(tái)變頻調(diào)速裝置用于執(zhí)行PLC的變頻指令從而實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)速。變頻調(diào)速器選用三菱TMdrive-MVGC型高壓變頻器，其額定容量選用2 000 kVA、過載能力200%，額定輸入電壓為三相50 Hz、10 kV交流電壓，額定輸出電壓為6 kV，其變頻工藝采用變頻功率單元多級(jí)串聯(lián)及二極管整流橋，顯著提高了器件的功率因數(shù)及可靠性。變頻器結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)置輸入干式隔離變壓器，可為電機(jī)提供更好的保護(hù)。

本文選用ICS-30A型皮帶秤對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤量進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，ICS-30A的稱重范圍為1 t/h～4 000 t/h，內(nèi)置4個(gè)高精度稱重傳感器，測(cè)量精度可達(dá)±2.5%，可滿足本系統(tǒng)對(duì)煤量參數(shù)的采集與識(shí)別需求。帶速傳感器選用GSC4礦用本安型皮帶機(jī)速度傳感器，其測(cè)量精確度可達(dá)0.1%，靈敏度為1%，可實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行速度的精確采集。

本文選用KHP128型礦用帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置對(duì)皮帶機(jī)設(shè)置堆煤、溫度、速度、跑偏、煙霧、撕裂、雙向急停開關(guān)、防爆電磁閥八項(xiàng)保護(hù)，KHP128還具備集中控制功能，可對(duì)全線系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及皮帶機(jī)的正常啟停操作，保證皮帶機(jī)安全運(yùn)行。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的PLC主控程序主要需實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的正常啟停、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及變頻調(diào)速功能，PLC主控程序流程如圖3所示。當(dāng)主程序運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)首先對(duì)皮帶輸送機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)預(yù)警并設(shè)置自檢保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)保護(hù)正常時(shí)控制皮帶機(jī)啟動(dòng)，隨后由PLC主控模塊執(zhí)行參數(shù)測(cè)控子程序，對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行帶速、煤量等參數(shù)監(jiān)測(cè)，上位機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后向PLC發(fā)送控制指令執(zhí)行調(diào)速控制，皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)入調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 PLC主控程序流程圖

參數(shù)測(cè)控子程序主要由各類傳感器將帶速、煤量等重要參數(shù)傳輸至PLC，再由PLC上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析運(yùn)算，最終由PLC控制器向變頻器輸出控制信號(hào)完成對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的調(diào)速。參數(shù)測(cè)控子程序流程如圖4所示。

圖4 參數(shù)測(cè)控子程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)的不足，以PLC為控制核心結(jié)合變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套控制精度高、可實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能變頻控制系統(tǒng)，通過傳感器實(shí)現(xiàn)了煤量的自動(dòng)識(shí)別，并由PLC對(duì)變頻器進(jìn)行高效控制從而實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)運(yùn)行速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證了煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)高效節(jié)能進(jìn)行。