皮带输送机节能变频控制系统的应用

2022-05-24王谱栋

机械工程与自动化 2022年2期

王谱栋

(山西焦煤西山煤电(集团)公司东曲煤矿，山西古交 030200)

0 引言

皮带运输机作为煤矿生产中重要的连续运输设备，确保其安全、可靠、高效、节能运行对于提升整个煤矿的生产效率及经济性具有重要意义[1-4]。随着全国煤矿规模及智能化程度的不断提高，运输距离长、运煤量大、皮带速度高、更大功率的高性能皮带机的应用也愈加广泛，而由此带来的电能损耗增大及效率低下问题凸显，因此针对皮带机运输系统的节能设计显得尤为重要。

受井下煤质及采掘量动态变化的影响，煤矿开采的不均衡性较大，在不同时间段皮带运输机的实际运量存在较大波动。目前国内大多数皮带机运输系统仍采用恒功率运行方式，当皮带机处于空载或轻载状态时，皮带机驱动电机的有功做功较小，使得电机运行效率降低，造成大量的电能耗费。部分采用变频器启动的皮带机运输系统并未充分利用变频器的变频调速特性，无法将运煤量与带速相匹配进行连续调节，变频器只起到了软启动作用，无法达到节能效果。针对上述问题，本文结合传感器及变频调速技术设计了一套以PLC为控制核心的皮带输送机节能变频控制系统。该系统通过传感器自动识别当前煤量，并由PLC通过煤量实时调节电机功率，实现皮带机运输系统带速与煤量的合理匹配与变频调速，从而有效提高皮带运输机的运行经济性[5,6]。

1 皮带输送机节能变频控制系统总体方案设计

本文所设计的皮带输送机节能变频控制系统是在恒频率控制系统基础上将煤量、电机功率及带速进行合理匹配从而实现带速随煤量变化连续动态调节，系统主要功能如下：

(1) 节能运行功能。变频控制系统可通过煤炭运载量动态调整驱动电机输入电源频率，从而实现皮带运输机的变频调速，有效降低功率损耗，实现节能运行。

(2) 远程通讯功能。系统通过工业以太网及Profibus通讯协议构建远程通讯网络，并通过光纤交换机实现全系统各类数据及控制指令的上传下达。

(3) 上位机监控功能。控制系统可通过上位机对皮带运输机的煤量、带速、电机电流等主要运行参数及通讯、故障报警、保护等各项系统状态进行实时监测，并对整个运输过程通过上位机进行管理、统计及分析。

(4) 综合保护功能。控制系统通过对综合保护装置的设计实现对皮带输送机皮带跑偏撕裂、温度过高、超速打滑、堆煤、烟雾超量、电机故障等状况的实时监测及报警，同时系统还具备拉线急停、闭锁急停和沿线查询等功能。

根据上述对控制系统功能的分析，本文采用模块化思想对整个控制系统进行架构，按照不同功能将系统划分为PLC主控模块、上位机监控模块、数据采集模块及执行单元模块4大部分，主要包括PLC、监控计算机、各类传感器及综保装置、变频器等设备，系统整体结构如图1所示。

PLC主控模块为该系统的控制核心，PLC通过工业以太网和Profibus通讯协议分别与上位机和执行单元模块中的变频器进行通讯，用于实现智能变频调速、运行数据采集上传、控制指令下达等控制功能。上位机监控模块中的人机交互界面可对皮带运输机各项运行参数实时显示，并实现故障报警、数据分析统计、远程控制等功能。数据采集模块主要由带速传感器、皮带秤及综合保护装置组成，对皮带输送机的带速、煤量两个关键参数进行实时采集，综合保护装置内部集成了温度、烟雾、跑偏、撕裂、电流等各类传感器，在对皮带机运行数据采集的同时还起到综合保护作用。执行单元模块主要由变频器组成，变频器通过接收PLC主控模块的频率控制信号对皮带机驱动电机输入电源的频率进行调整，从而实现变频调速功能[7,8]。

图1 皮带输送机自动控制系统总体结构图

2 硬件方案设计

本控制系统的硬件设计部分主要包括PLC主控器、监控上位机、变频器、带速传感器、皮带秤、综合保护装置的选型及设计，变频控制系统硬件结构如图2所示。

图2 变频控制系统硬件结构图

PLC主控器是该控制系统的核心硬件，其模块的合理选型是保证系统控制精度及参数采集可靠性的关键。本系统选用西门子S7-1500系列可编程控制器，其中央处理器选用1513-1PN型通用CPU模块。S7-1500系列PLC最高可支持32个模块同时运行，完全满足本控制系统的性能要求。电源模块采用PM 70W 120/230VAC为CPU、输入输出模块、通讯模块等提供DC 24 V电压，保证主控器稳定运行。除CPU及电源模块外，主控器还需对各类传感器的模拟量信号及上位机下达的数字量输入信号传送，因此还需设置模拟量及数字量输入输出模块，其选型分别为SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)。

该控制系统给每台皮带输送机配备3台变频调速装置用于执行PLC的变频指令从而实现皮带机动态调速。变频调速器选用三菱TMdrive-MVGC型高压变频器，其额定容量选用2 000 kVA、过载能力200%，额定输入电压为三相50 Hz、10 kV交流电压，额定输出电压为6 kV，其变频工艺采用变频功率单元多级串联及二极管整流桥，显著提高了器件的功率因数及可靠性。变频器结构采用一体化设计，内置输入干式隔离变压器，可为电机提供更好的保护。

本文选用ICS-30A型皮带秤对皮带运输机运煤量进行动态识别，ICS-30A的称重范围为1 t/h～4 000 t/h，内置4个高精度称重传感器，测量精度可达±2.5%，可满足本系统对煤量参数的采集与识别需求。带速传感器选用GSC4矿用本安型皮带机速度传感器，其测量精确度可达0.1%，灵敏度为1%，可实现对皮带机运行速度的精确采集。

本文选用KHP128型矿用带式输送机综合保护装置对皮带机设置堆煤、温度、速度、跑偏、烟雾、撕裂、双向急停开关、防爆电磁阀八项保护，KHP128还具备集中控制功能，可对全线系统状态进行实时监控及皮带机的正常启停操作，保证皮带机安全运行。

3 软件方案设计

本系统的PLC主控程序主要需实现带式输送机的正常启停、运行状态实时监测及变频调速功能，PLC主控程序流程如图3所示。当主程序运行时，系统首先对皮带输送机进行启动预警并设置自检保护，当系统保护正常时控制皮带机启动，随后由PLC主控模块执行参数测控子程序，对皮带机进行带速、煤量等参数监测，上位机对采集数据进行分析处理后向PLC发送控制指令执行调速控制，皮带运输机进入调速运行状态。