皮帶機節(jié)能優(yōu)化智能控制系統(tǒng)的設計

宋慶陽

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司， 山西 呂梁 033207）

引言

在煤礦生產(chǎn)中皮帶機是主要運輸設備，其具有比較高的可靠性與安全性、較強的輸送能力、較強的靈活性等特點，當皮帶機正常運行期間會有比較多的電能被消耗。皮帶機正常運行時，其運輸量一般無法到達額定值，從而出現(xiàn)“大馬拉著小車”的現(xiàn)象，不僅會導致電能被浪費，而且會使磨損其機械結(jié)構(gòu)件，使維保成本增加?，F(xiàn)在，由于變頻技術(shù)發(fā)展的成熟度較高，并在工業(yè)領域中廣泛使用。在皮帶機內(nèi)使用變頻調(diào)速控制技術(shù)，能夠控制皮帶機的運行，能夠減少電能的浪費，降低設備的磨損，延長使用壽命。以原晉煤集團某礦DTL120/200/3×630 型皮帶機為研究對象，主要對其節(jié)能優(yōu)化智能控制系統(tǒng)進行了研究。

1 皮帶機的整體結(jié)構(gòu)與智能控制系統(tǒng)的整體方案

1.1 皮帶機的整體結(jié)構(gòu)

DTL120/200/3×630 型皮帶機由張緊裝置、皮帶、下托輥、上托輥、改向滾筒、驅(qū)動滾筒等組成。當設備正常運行時，會有動力從電機中輸出來，然后傳動系統(tǒng)在把動力傳送至驅(qū)動滾筒內(nèi)，然后驅(qū)動滾筒再把皮帶帶動起來運行，并和換向滾筒相配合，使皮帶的運行能夠循環(huán)往復，對物料進行運輸。當傳統(tǒng)皮帶機正常運行時，其速度一直是額定速度，就樣就會導致浪費電能，使設備磨損的程度更嚴重。

1.2 智能控制系統(tǒng)的整體方案

在原晉煤集團某礦DTL120/200/3×630 型皮帶機中，電機數(shù)量是3 臺，而且3 臺在同一時間進行驅(qū)動，在電機正常運行時，會有轉(zhuǎn)動速度從電機中輸出來，而且輸出的轉(zhuǎn)動速度和輸入的電流頻率二者呈正比關(guān)系[1]。圖1 就是皮帶機的節(jié)能優(yōu)化智能控制系統(tǒng)的整體方案圖。

圖1 節(jié)能優(yōu)化智能控制系統(tǒng)的整體方案

變頻器和電機的數(shù)量相同，并且是相對應的，方便控制電機，電機可以由變頻器改變輸入電流頻率，并對其輸出轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，而且還配有3 臺配電柜給變頻器。皮帶機在正常運行時，會有耗電量、皮帶速度、煤流量等數(shù)據(jù)產(chǎn)生，而且這些數(shù)據(jù)會被檢測儀表與傳感器來進行檢測，并把檢測結(jié)果直接傳送到PLC控制器內(nèi)，然后再處理。在智能控制系統(tǒng)中，其最主要的就是PLC 控制器，PLC 控制器可以分析皮帶機正常運行時的所有參數(shù)，并對設備正常運行的速度進行判斷，判斷其是否合適，然后在對電機輸出的調(diào)整進行控制。把監(jiān)控大屏與服務器設置到上位機內(nèi)，監(jiān)控大屏與服務器的作用分別是展示數(shù)據(jù)參數(shù)與存儲數(shù)據(jù)，用于以后對皮帶機正常運行時的狀態(tài)進行掌握與研究調(diào)取。以太網(wǎng)把上位機和PLC 控制器之間的數(shù)據(jù)進行傳輸，以ProfiBUS 為基礎，把PLC 控制器和變頻器之間的數(shù)據(jù)進行交換。

2 設計硬件

2.1 選擇PLC 控制器型號

在對PLC 控制器的型號進行選擇時，使用的是57-1200 型的西門子PLC 控制器。在這個型號的控制器中，包含的數(shù)字量輸出接口、模擬量輸入接口、數(shù)字量輸入接口的數(shù)量分別是10 個、2 個、14 個。模擬量信號與數(shù)字量信號會被傳感器所采集，并被直接輸送至PLC 控制器內(nèi)，并在PLC 控制器內(nèi)處理，防止A/D轉(zhuǎn)換，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PM1207 是電源模塊的型號，可以把24 V 的直流電源提供給PLC 控制器。1214C是CPU 模塊的型號，能夠很好的對數(shù)據(jù)進行處理，使系統(tǒng)工作得到滿足。圖2 就是S7-1200 型PLC 控制器的主要模塊構(gòu)成圖。

圖2 S7-1200 型PLC 控制器的主要模塊構(gòu)成圖

2.2 選擇變頻器型號

由于要保證變頻器和控制器的兼容性，所以在對變頻器的型號進行選擇時，選擇了3 臺西門子6ES71型的變頻器。而且設備的輸入電壓、額定功率、輸出的電流分別是660～690 V、800 kW、860 A。設備的輸入電源頻率是50 Hz，按照使用來對輸出電源頻率進行調(diào)整，調(diào)整范圍是20～120 Hz[2]。而且6ES71 型變頻器所具有的功能是拓展，能夠按照實際需要進行擴展，而且所有的矢量控制功能比較強大。

圖3 就是變頻器外接主電路圖，從圖3 中能夠看出，各個交流異步電動機均配備了相應的配電柜與變頻器。并把斷路器設置在配電柜內(nèi)，若有特殊狀況，就能夠把電機和變頻器的電源切斷來保護，切斷其電源的是斷路器，電機的開啟與關(guān)閉可以由變頻器來進行控制。

圖3 變頻器外接主電路圖

2.3 選擇檢測模塊型號

當智能控制系統(tǒng)正常運行時，要檢測皮帶機的耗電量、皮帶速度、煤流量。

1）檢測煤流量。在選擇電子皮帶秤的型號時，其型號所選用的是ICS-ST 電子皮帶秤，該ICS-ST 電子皮帶秤所設計的范圍是煤礦，能夠動態(tài)檢測煤流量，可以對累加誤差進行控制，把其控制到0.25%～1%中。從結(jié)構(gòu)方面講，智能采集模塊、重量傳感器、速度傳感器及支架構(gòu)成了電子皮帶秤。支架中安裝著重量傳感器與速度傳感器，傳感器所采集的全部數(shù)據(jù)被采集模塊所處理，并對煤流量進行分析。

2）檢測電機功率。EDA9033A 模塊主要作用就是檢測電機正常工作的功率，在變頻器內(nèi)嵌入該模塊。EDA9033A 模塊有比較廣的檢測區(qū)域，電流與電壓二者量程對應的是1～1 000 A 與10～500 V，經(jīng)過檢測電流與電壓，就能對電機功率進行分析[3]。

3）檢測皮帶速度。GSH5 型速度傳感器使用時滾筒支架內(nèi)安裝GSH5 型速度傳感器，該傳感器能夠檢測滾筒所轉(zhuǎn)動的速度，然后再以滾筒半徑為依據(jù)來計算皮帶正常運行的速度。

3 設計智能控制系統(tǒng)的軟件

若智能控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)速度時靈敏度過好，就會造成設備不能穩(wěn)定運行，而且還會更加消耗功率。該系統(tǒng)把煤礦運輸?shù)闹亓窟M行了劃分，而且劃分的區(qū)間比較多，若某個區(qū)間的重量有變化發(fā)生時，就不用調(diào)節(jié)速度，唯有在重量超過某個區(qū)間之后，方能調(diào)整速度。圖4 為節(jié)能優(yōu)化智能控制系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)流程圖。

圖4 節(jié)能優(yōu)化智能控制系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)流程

當開啟控制系統(tǒng)之后，就會檢測其煤流量，在有3 s 的延時之后，煤流量目前所在的區(qū)間就會被PLC控制器所判斷出來，繼而在以相應的區(qū)間速度為基礎來調(diào)節(jié)控制皮帶的速度。此類調(diào)節(jié)速度方案能夠保證真正運輸?shù)拿毫髁亢推嶋H的運轉(zhuǎn)速度是彼此相匹配的。若對皮帶檢測時得知，其真正運輸?shù)拿毫髁坎辉谠O備所承受的區(qū)域中，就會有警告從系統(tǒng)中發(fā)出，設備被控制后停止，防止設備由于超負荷運行而導致?lián)p傷過于嚴重。

4 結(jié)語

在DTL120/200/3×630 型皮帶機工程中使用了該節(jié)能優(yōu)化智能控制系統(tǒng)，并測試了該皮帶機的運行成效。經(jīng)過使用發(fā)現(xiàn)，當進行測試過程中，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，沒有故障發(fā)生，能夠以皮帶對煤礦物料所運輸?shù)闹亓繛榛A，來調(diào)整其工作的速度，使用效果能夠符合預期。當采煤工藝一直不變時，來對比新系統(tǒng)在使用之前與之后電能被皮帶機所消耗的狀況，在使用新系統(tǒng)之后節(jié)約了20%左右的電能，可進一步促進皮帶機的節(jié)能增效，使煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益得到提高。