謝明明

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦選煤廠， 山西 古交 030205）

引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)（簡稱“皮帶機(jī)”）作為煤礦主要運(yùn)輸設(shè)備，其能耗量隨運(yùn)輸距離及運(yùn)輸量的增加而不斷增大[1-3]，因此研究針對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的節(jié)能技術(shù)及手段對(duì)于提高煤礦開采效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排要求至關(guān)重要。由于很多皮帶機(jī)采用恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式，皮帶機(jī)以額定功率恒定運(yùn)行，而井下采煤量時(shí)刻發(fā)生著變化，當(dāng)采煤量較小時(shí)，皮帶機(jī)處于輕載甚至空載狀態(tài)，以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的皮帶機(jī)此時(shí)電機(jī)做功效率較低，同時(shí)磨損增大，不僅會(huì)造成大量的電能損耗，還存在過熱甚至起火等安全隱患。目前通過變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)的軟啟動(dòng)及變頻調(diào)速是解決這一問題的主要手段。但是皮帶機(jī)的帶速仍需人工通過運(yùn)載量的實(shí)時(shí)改變進(jìn)行確定，判斷誤差較大，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)帶速的連續(xù)調(diào)節(jié)。

通過上述分析可以看出，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)煤量進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并以此控制變頻器輸出對(duì)電機(jī)功率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)帶速與運(yùn)載量的合理匹配及自動(dòng)調(diào)速控制是實(shí)現(xiàn)煤礦皮帶機(jī)智能化節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。針對(duì)上述問題，本文采用變頻控制技術(shù)對(duì)皮帶機(jī)電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)控制及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并通過傳感器對(duì)皮帶機(jī)的運(yùn)載量進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別監(jiān)測，最終由主控器控制變頻器的輸出對(duì)電機(jī)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的自適應(yīng)調(diào)速控制，從而有效提高煤礦皮帶機(jī)的運(yùn)行節(jié)能性及智能化程度。

1 變頻節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

本文所設(shè)計(jì)的皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)煤量的自動(dòng)監(jiān)測識(shí)別，并通過負(fù)載變化量對(duì)皮帶機(jī)帶速進(jìn)行自適應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。變頻控制系統(tǒng)具體功能如下：

1）皮帶機(jī)軟啟動(dòng)及變頻調(diào)速控制。系統(tǒng)通過對(duì)變頻調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動(dòng)，從而有效減小電機(jī)啟動(dòng)電流；系統(tǒng)通過控制器控制變頻器輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)節(jié)。

2）皮帶機(jī)運(yùn)煤量及運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)通過傳感器與控制器實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)運(yùn)煤量的實(shí)時(shí)采集與自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)可對(duì)皮帶機(jī)撕裂、跑偏、堆煤等故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及報(bào)警。

3）具備自動(dòng)及手動(dòng)兩種控制模式。系統(tǒng)可根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控軟件對(duì)皮帶機(jī)啟停及調(diào)速進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)可無擾動(dòng)切換至手動(dòng)模式，通過遙控器控制及就地操作方式對(duì)皮帶機(jī)控制進(jìn)行手動(dòng)操作。

4）智能化人機(jī)交互平臺(tái)。系統(tǒng)通過對(duì)控制軟件及人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)煤量、變頻器運(yùn)行參數(shù)、皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)直觀顯示，并具備數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)等功能。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)主要功能的分析，本文采用模塊化思想對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、PLC 主控單元、變頻器驅(qū)動(dòng)單元、數(shù)據(jù)采集單元及通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成，系統(tǒng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)主要包括智能人機(jī)交互界面及操作指示臺(tái)，用于對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析監(jiān)測及控制指令的下達(dá)。本文選用PLC 可編程控制器作為系統(tǒng)控制核心，用于接收來自數(shù)據(jù)采集單元的模擬量參數(shù)，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，將控制指令通過Profibus 下達(dá)至變頻器用于實(shí)時(shí)調(diào)整皮帶機(jī)電機(jī)輸出功率及轉(zhuǎn)速。變頻器通過接收來自PLC 的變頻指令實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)電機(jī)功率的變頻控制。參數(shù)采集單元主要由各類傳感器組成，其中對(duì)帶速及運(yùn)煤量的采集是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)煤量自動(dòng)識(shí)別及帶速自適應(yīng)變頻調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，對(duì)撕裂、跑偏、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測可為皮帶機(jī)運(yùn)行保護(hù)提供必要支撐。系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus 及RS485 總線構(gòu)成，分別用于上位機(jī)與PLC、PLC 與變頻器、PLC 與電量采集儀的數(shù)據(jù)交互。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)架構(gòu)主要包括PLC 主控單元、數(shù)據(jù)采集單元及變頻器的選型設(shè)計(jì)。

2.1 PLC 主控單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中PLC 主控器的主要功能分別為數(shù)據(jù)采集單元模擬量信號(hào)接收、電量采集儀電參數(shù)采集、上位機(jī)控制指令接收及變頻器模擬控制信號(hào)輸出。為了保證系統(tǒng)的控制精度及可靠性，本文選用西門子S7-1500 PLC 作為主控器，中央處理器型號(hào)選用1513-1PN，電源模塊型號(hào)選擇PM 70W 120/230 VAC。在輸入輸出模塊選型方面，AI 模塊型號(hào)選擇SM331，AI 模塊型號(hào)選擇SM331，DO 模塊型號(hào)選擇SM322，其輸入輸出端口數(shù)量可完全滿足本系統(tǒng)需求。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元主要由各類傳感器組成，主要用于對(duì)帶速及煤量的實(shí)時(shí)測量，以及對(duì)電機(jī)、變頻器等主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及皮帶機(jī)跑偏撕裂等故障進(jìn)行監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)

帶速及煤量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)采集對(duì)于實(shí)現(xiàn)本文皮帶機(jī)帶速自適應(yīng)調(diào)節(jié)至關(guān)重要。本文選用GSD5-I型礦業(yè)速度傳感器對(duì)皮帶機(jī)帶速進(jìn)行測量，GSD5-I檢測范圍為0～5 m/s，線性度誤差精度為±2.5%，可滿足本系統(tǒng)測量需求。安裝位置選擇為感應(yīng)端靠近磁鋼的機(jī)架處，同時(shí)還具備低速打滑保護(hù)功能，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)發(fā)出報(bào)警并發(fā)出皮帶機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)。

目前針對(duì)煤量監(jiān)測的設(shè)備以皮帶秤為主，主要分為電子皮帶秤和核子皮帶秤兩種類型。電子皮帶秤安裝較為復(fù)雜，同時(shí)易受皮帶機(jī)振動(dòng)、磨損及張力等因素影響導(dǎo)致測量精度較低。核子皮帶秤的原理是通過運(yùn)載物料對(duì)射線強(qiáng)度的衰減比計(jì)算出皮帶機(jī)負(fù)荷，再乘以此時(shí)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度即可得出物料瞬時(shí)流量、累計(jì)量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤量的非接觸在線連續(xù)測量。核子皮帶秤測量精度不受皮帶機(jī)狀態(tài)影響，精度更高，且安裝維護(hù)方便，可靠性高，因此本文選用核子皮帶秤對(duì)煤量進(jìn)行監(jiān)測，選用型號(hào)為HC-2000，在皮帶機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)態(tài)累計(jì)誤差≤±1%，計(jì)量及控制誤差穩(wěn)定控制在±2%以內(nèi)，性能穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)測量精度高，可完全滿足本系統(tǒng)對(duì)煤量監(jiān)測精度的需求。

2.3 變頻調(diào)速單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制對(duì)象為機(jī)頭三電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)，為了保證系統(tǒng)控制效果，系統(tǒng)采用一拖一運(yùn)行方式，通過三臺(tái)變頻器對(duì)三臺(tái)電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制。為了保證三臺(tái)電機(jī)功率平衡，使其輸出轉(zhuǎn)速同步，分別設(shè)置一臺(tái)主變頻器以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式作為主傳動(dòng)運(yùn)行，其余兩臺(tái)均采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模式以從傳動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)功率平衡，三臺(tái)變頻器均有PLC 主從控制單元進(jìn)行控制。為了保證系統(tǒng)控制效果，本文在變頻器選型上采用西門子6SR450 型無諧波變頻器對(duì)皮帶機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，其輸入特性優(yōu)良，功率因數(shù)較高，可避免由低功率因數(shù)導(dǎo)致的諧波、諧振等影響。同時(shí)其輸出波形標(biāo)準(zhǔn)度高，無需設(shè)置額外濾波器降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可大大降低電機(jī)損耗，從而提高皮帶機(jī)電機(jī)使用壽命。

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)除具備電機(jī)軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速及報(bào)警停機(jī)等基本功能外，還具備對(duì)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測保護(hù)及帶速自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，上位機(jī)搭載的智能化人機(jī)交互界面可用于對(duì)主要設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置及各類控制操作，運(yùn)行參數(shù)及相應(yīng)曲線可在監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，控制系統(tǒng)軟件具體功能如第305頁圖3 所示。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將傳感器所采集的帶速及煤量作為反饋量，由PLC主控單元按照調(diào)速運(yùn)算結(jié)果對(duì)變頻器進(jìn)行輸出頻率控制，從而實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)帶速跟隨運(yùn)煤量實(shí)時(shí)調(diào)整的自適應(yīng)帶速調(diào)節(jié)，同時(shí)具備皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測功能，有效提高皮帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)能效果及智能化運(yùn)行水平。