變頻智能驅(qū)動控制系統(tǒng)在帶式輸送機上的應(yīng)用研究

李 斌

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦， 山西 呂梁 033600）

引言

帶式輸送機在煤礦開采過程中廣泛使用，在實際運輸過程中，帶式輸送機會存在滿載和空載交替運行的情況，傳統(tǒng)控制方式會使電動機在同一頻率工作，從而消耗大量的電能，并且對輸送機皮帶的使用存在損害。通過采用變頻器對電動機進行不同頻率的調(diào)節(jié)，對不同的工況作出不同的策略，可以實現(xiàn)更加平穩(wěn)、節(jié)能地運行，并且可以減少對皮帶的損傷，提高工作效率[1-5]。

帶式輸送機運輸距離長、運輸量大，同時也是占總設(shè)備能源消耗的一大部分。在運輸過程中輕載和空載運行時間多，但無變頻器傳統(tǒng)控制，造成以重載功率設(shè)置輸送機的電動機狀態(tài)。若采用變頻技術(shù)，需結(jié)合井下工作面的實際運行工況，對帶式輸送機的輸送功率進行變頻調(diào)節(jié)，從而有效提升帶式輸送機的運輸效率，達到節(jié)能降耗的目標，體現(xiàn)出顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。

1 變頻技術(shù)原理

變頻器作為帶式輸送機系統(tǒng)的核心控制部分，由傳感器、控制器和執(zhí)行元件組成。本系統(tǒng)采用西門子PLC 進行控制，通過內(nèi)部程序的調(diào)整，PLC 輸出工頻信號至變頻器，變頻接收PLC 控制信號，進行交-直轉(zhuǎn)換，通過逆變器對電動機的電壓、電流進行控制。變頻器的使用可以使得電動機達到任意轉(zhuǎn)速，可以做到根據(jù)煤量調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速和功率，運輸效率得到優(yōu)化。

帶式輸送機系統(tǒng)的優(yōu)化在于根據(jù)煤量控制電動機功率變化。皮帶上煤量的多少由傳感器采集，包括壓力傳感器、位置傳感器、執(zhí)行元件和控制器。主控制器采用西門子PLC，通過Modbus 通信協(xié)議與變頻器通信，同時PLC 獲取電動機反饋的電流、電壓數(shù)據(jù)，在線調(diào)節(jié)變頻器。用PLC 的模擬量輸出模塊控制變頻器的模擬輸出量，調(diào)節(jié)電源的頻率、波形、電壓等，實現(xiàn)對電機的控制。通過變頻器對帶式輸送機的電動機進行控制，可實現(xiàn)無級變速，達到節(jié)能降耗的目標。

2 變頻控制策略

基于帶式輸送機煤量進行自動匹配原理的基礎(chǔ)上，通過帶式輸送機實時運輸煤量對皮帶的運行速度進行調(diào)節(jié)，從而達到對帶式輸送機的變頻調(diào)速，提升運輸工效，降低其電能消耗，節(jié)約成本。帶式輸送機的目標函數(shù)如下：

式中：Pr為帶式輸送機的實際功率；Pc為帶式輸送機的額定功率；Pmin為帶式輸送機功率差。

帶式輸送機在運輸過程中的系統(tǒng)模型如下：

式中：V 為影響煤量變化的所有因素集合；F 為輸送機狀態(tài)參數(shù)集合；D 為隨著運輸長度變化的瞬時煤量分布函數(shù)。

根據(jù)控制關(guān)系，由傳感器獲取輸送機運輸煤量，對應(yīng)檢測輸送機的運行速度，由速度與運煤量建立輸送機運輸模型，根據(jù)空載、輕載、重載等運輸狀態(tài)，輸送機由變頻器智能調(diào)整電動機功率，匹配最佳速度與運煤量模型。

帶式輸送機采用智能變頻控制主要由兩個過程的智能調(diào)速，首先當帶式輸送機在啟停狀態(tài)時，由PLC 控制器輸出啟動信號，帶式輸送機會以3.6 m/h的帶速運轉(zhuǎn)；在控制系統(tǒng)接收PLC 控制器輸出到停止信號后，帶式輸送機則會以2.0 m/h 的待速狀態(tài)運行。另外，在帶式輸送機實際運行工況條件下，控制系統(tǒng)會結(jié)合原煤運輸量及電機功率對皮帶的運行速度進行變頻調(diào)節(jié)，運輸量和帶速形成正比例關(guān)系，運煤量大時PLC 控制器會增加電機的輸出功率，反之運煤量小時PLC 控制器會降低電機的輸出功率。同時避免了運煤量大時，PLC 控制器未增加電機功率，此時帶式輸送機的帶速也未增加，導(dǎo)致撒煤故障的發(fā)生；因此，在判斷運煤量時應(yīng)實時檢測帶式輸送機的瞬時運煤量。調(diào)速控制策略如圖1 所示。

圖1 調(diào)速控制策略

3 變頻控制系統(tǒng)硬件配置

變頻智能控制驅(qū)動系統(tǒng)主要由PLC 可編程邏輯控制器、人機交互設(shè)備、壓力傳感器、速度傳感器、供電保護設(shè)備等硬件組成。采用西門子PLC 作為控制系統(tǒng)核心，接收傳感器數(shù)據(jù)，通過對瞬時煤量與功率的關(guān)系模型計算，由PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)給變頻器，實現(xiàn)在線調(diào)整變頻，控制電動機運行?？刂葡到y(tǒng)硬件連接，如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件連接圖

帶式輸送機的各個采集點安裝在皮帶運行的轉(zhuǎn)載點，重點監(jiān)控容易出現(xiàn)負載變化的區(qū)域，通過對壓力、速度的采集，實現(xiàn)電動機變頻運行，確保運行皮帶平穩(wěn)地過渡，減少磨損與故障率。

煤礦井下采用KTC101 型控制保護系統(tǒng)、KTC101-Z 型主控變頻器，以及KDW101 型電源箱，采用壓力傳感器監(jiān)測皮帶上煤流量與負荷變化情況，當輸送機皮帶上負荷發(fā)生變化，PLC 接收到傳感器的信號，通過PLC 既定程序處理，發(fā)送指令給變頻器，實現(xiàn)輸送機智能變頻調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)電動機變頻調(diào)節(jié)的準確性，變頻器與電動機匹配也是考慮的問題之一。同時，為保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需結(jié)合實際運煤量和運輸工況，匹配合適的電動機和變頻控制器。以負載變化時的電機通過電流量來進行選擇，通常采用“主-從”方式進行調(diào)節(jié)平衡，當系統(tǒng)發(fā)生故障時發(fā)生短路，通過在供電系統(tǒng)的回路中安裝快速熔斷器，會快速切斷電源，從而達到對變頻器的保護。

帶式輸送機實現(xiàn)變頻功能需要變頻器、PLC、上位機控制系統(tǒng)各部分連接組成，通過建立工業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各個部分的通信。特別是斜井運輸工況下，由于皮帶運輸機采取前后雙電機驅(qū)動的模式，需為每臺電機配置單獨的變頻控制器，并設(shè)置專門的配電硐室，將井下供電系統(tǒng)的電壓從10 kV 降低為0.6 kV，實現(xiàn)與皮帶輸送機電機電壓自動匹配，方可為帶式輸送機進行供電。

4 應(yīng)用效果分析

將本文研究的變頻智能驅(qū)動控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際煤礦項目中，系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，且針對啟動停止階段、負載變化階段等調(diào)控效果明顯，電動機調(diào)速平穩(wěn)，啟動電流小，對整個供電系統(tǒng)沖擊較小。同時，變頻智能驅(qū)動控制系統(tǒng)的應(yīng)用還降低了輸送機運行的故障率，減少了維修人員工作強度，整體提高了帶式輸送機運行自動化程度，保證了帶式輸送機正常穩(wěn)定運行。

采用PLC 變頻控制器對帶式輸送機的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造后，帶式輸送機的運行功率較未改造前降低約65%，體現(xiàn)出顯著的節(jié)能降耗效果。按每條帶式輸送機配備兩臺電機，每臺電機平均節(jié)約功率2.5 kW 左右，礦井年工作日設(shè)為300 d 計算，每年可節(jié)約電費：300 d×24 h×2.5 kW×1.02 元/kWh=1.73 萬元，同時大幅降低運行故障，體現(xiàn)出顯著的節(jié)能效果。