選煤廠皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

王小雅

（山西焦煤西山煤電官地選煤廠， 山西 太原 030022）

引言

選煤廠皮帶輸送機是核心運輸設(shè)備，同時也是高耗能設(shè)備，常處于空載或者輕載運行狀態(tài)，造成極大的電能浪費。因此，皮帶輸送機高效、節(jié)能運輸問題值得科研人員研究和探討。變頻控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于選煤廠皮帶輸送機的控制系統(tǒng)，使得帶速能夠隨著煤料流量的不同自行調(diào)節(jié)，減小電能損耗，減小機械磨損，達到節(jié)能降耗的目的[1]。國內(nèi)外皮帶控制專家針對選煤廠皮帶運輸機控制系統(tǒng)展開一系列的研究，如文獻[2]根據(jù)負載變化自動完成皮帶運輸機的調(diào)速，并控制皮帶輸送機的輸出功率，使其在設(shè)定范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)帶速隨煤流量自動調(diào)節(jié)的目的。文獻[3]利用模糊控制策略調(diào)整皮帶運輸機帶速，將煤流量模糊化，并通過模糊控制算法實現(xiàn)帶速調(diào)節(jié)。文獻[4]建立皮帶輸送機變頻驅(qū)動模型和輸送系統(tǒng)模型，分析影響帶速調(diào)節(jié)的因素，并基于仿真軟件完成電動機輸出電壓仿真，為提升皮帶輸送機的節(jié)能效果提供理論基礎(chǔ)。文章以選煤廠用皮帶輸送機為研究對象，設(shè)計基于ControlLogix5000 控制器的智能調(diào)速系統(tǒng)，達到智能調(diào)速、節(jié)約電能的目的。

1 皮帶輸送機功耗分析

選煤廠用皮帶輸送機由輸送帶、滾筒、托輥、驅(qū)動系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及機架等部分組成。通過安裝在前后滾筒的電動機驅(qū)動滾筒運行，依靠輸送帶與滾筒的摩擦力使得輸送帶連續(xù)運轉(zhuǎn)，達到運輸煤料的目的。皮帶輸送機運行過程中受到的阻力有基本阻力，即托輥間、輸送帶與煤料間的阻力；傾斜阻力，即煤料在傾斜方向?qū)斔蛶У淖枇?；附加阻力，即改向滾筒阻力、驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動阻力、落煤區(qū)阻力等[5-6]。在分析影響皮帶輸送機功耗時，附加阻力可忽略不計，主要影響因素為基本阻力、傾斜阻力。帶式輸送機的基本阻力、傾斜阻力為固定不變因素，影響帶式輸送機功耗的主要因素為煤流量Q 以及帶速V。

2 智能調(diào)速方案設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

選煤廠用皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1 所示，由可編程邏輯控制器及其擴展模塊組成核心職能調(diào)速控制系統(tǒng)，外接的輸入信號速度傳感器用于實時監(jiān)測皮帶輸送機的帶速，皮帶秤用于監(jiān)測輸送皮帶上煤料的重量，功率采集模塊用于監(jiān)控調(diào)速系統(tǒng)的有功功率和功率因素。為保證帶式輸送機安全、穩(wěn)定運行，設(shè)計綜合保護器，實時監(jiān)測皮帶輸送機的堆煤、撕裂、煙霧、跑偏、拉繩等故障，當故障發(fā)生時，在上位機自動彈出故障報警界面并發(fā)出聲光語音報警。皮帶輸送機前后配置異步變頻電動機，采用“一拖一”CAN 總線通信模式變頻驅(qū)動電動機，進而驅(qū)動皮帶運行。變頻驅(qū)動模式采用V/F+矢量控制方案，在變頻器內(nèi)部設(shè)置多級速度給定，當皮帶輸送機煤料負載發(fā)生變化時，采用V/F、矢量控制方法適時調(diào)節(jié)帶速[7-8]。設(shè)置上位機系統(tǒng)，經(jīng)CAN 總線通信獲取皮帶輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)進行展示，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，觸發(fā)故障報警。

圖1 選煤廠帶式輸送機智能調(diào)速總體設(shè)計框圖

2.2 硬件設(shè)計

選煤廠用皮帶輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)用到的核心硬件包括控制器、變頻器、皮帶秤、功率監(jiān)測器、速度傳感器以及撕裂、煙霧、跑偏等傳感器?？刂破鬟x用羅克韋爾的ControlLogix5000 1756 系列控制器，采用雙CPU 冗余技術(shù)、模塊化、可擴展集約結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有隔離I/O 和高性能診斷功能；支持TCP/IP、CAN、CANopen、Modbus、DeviceNet、RS485 等 多 種 通 信 模式；支持過程控制、安全控制、運動控制等，滿足選煤廠帶式輸送機調(diào)速功能。變頻器選用的型號為東芝-三菱MVG-2000/10/6K，該變頻器的額定容量為2 000 kVA，額定輸入電壓為10 kV/50 Hz/3 Ph，額定輸出電壓為6 kV，控制精度≤0.1%，功率不平衡度≤2%；具備過壓、過載、過流、缺相、輸出短路等保護功能[9-10]。皮帶秤選用的型號為ICS-ST，具有測量精度高、安全性好的特點，當煤料經(jīng)輸送帶通過該電子稱時，煤料重力作用于皮帶秤并生成電壓信號傳送至控制器，實時監(jiān)測煤料重量。功率監(jiān)測模塊選用的型號為EDA9033A，該模塊為智能型三相電參數(shù)綜合采集裝置，可通過RS485、CAN 總線等多種通信方式將電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)傳送至控制器。速度傳感器選用的型號為GSC4，該速度傳感器檢測精確、結(jié)構(gòu)簡單，額定電壓為DC 12 V，測量范圍為0～5 m/s。

2.3 軟件設(shè)計

選煤廠用皮帶輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)基于RSlogix5000 軟件編程平臺實現(xiàn)，可完成常規(guī)編程、組態(tài)、監(jiān)控以及診斷功能。根據(jù)調(diào)速控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，將軟件系統(tǒng)劃分為主程序模塊、系統(tǒng)初始化模塊、故障自診斷模塊、故障保護模塊、輸入信號處理模塊、能耗優(yōu)化控制策略模塊以及控制過程處理模塊，詳細如圖2 所示。每個模塊可獨立編程，并留有接口函數(shù)與其他模塊完成功能交互。

圖2 選煤廠帶式輸送機智能調(diào)速軟件系統(tǒng)模塊劃分

3 應(yīng)用情況

為驗證設(shè)計并實現(xiàn)選煤廠皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)的正確性和適用性，在選煤廠用皮帶輸送機完成實際應(yīng)用，該皮帶輸送機型號為DTC80/15/2*132，帶寬B=800 mm，額定運量Q=150 t/h，帶速為2.5 m/s，傾角為＆=19°，前后電動機的額定電壓為660 V，額定功率為2×132 kW，年平均工作日300 d，每天工作18 h。根據(jù)皮帶輸送機煤流量與帶速的正比關(guān)系可知，該皮帶輸送機的額定年煤流量t/h。該皮帶輸送機的冗余比

該皮帶輸送機采用該方案前采用恒速運行模式，實際消耗功率為額定功率，則全年生產(chǎn)時所需的電量W=2×264 kW×300 d×18 h=2 851 200 kWh。

采用該智能調(diào)速方案后實際運行帶速與煤料流量自適應(yīng)匹配，且煤流量與帶速成正比例關(guān)系。當該皮帶輸送機運量為593 t/h，帶速為2.5 m/s，電動機功率為264 kW 時，優(yōu)化后的年消耗電量W1=264×300×18=1425600kWh。年節(jié)電率100%=50%。

即采用設(shè)計并實現(xiàn)的智能調(diào)速方案后，年節(jié)電率可達50%，節(jié)能效果明顯。另外，皮帶輸送機恒速運行時，會造成托輥與皮帶之間的機械磨損，運行速度越大，磨損越嚴重；運行速度越小，磨損越小。因此，采用優(yōu)化方案后減小了機械磨損，年節(jié)約機械材料配件費用約11.2 萬元。

4 結(jié)語

基于變頻控制技術(shù)設(shè)計的選煤廠用皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)實際使用證明了該方案的正確性、可行性和適用性，達到了節(jié)約電能、高效運輸?shù)哪康摹Ｔ诤罄m(xù)的選煤廠皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)研究時，可增加模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立皮帶輸送機數(shù)學(xué)模型，對帶速、煤料流量、輸出頻率、運行電壓、運行電流等核心參數(shù)進行仿真，達到最優(yōu)匹配效果，進一步完善和提升皮帶智能調(diào)速系統(tǒng)性能。