大型带式输送机变频控制优化研究

2022-08-08管华夏

机械管理开发 2022年7期

管华夏

（大同煤矿集团同地益晟煤业有限公司，山西大同 037100）

引言

带式输送机作为连续运输的主要设备，已广泛应用于各煤炭开采企业。随着采掘技术的不断提高，带式输送机也逐渐向长距离、高负载、大带宽、高带速的大型带式输送机方向发展，这就对带式输送机提出了更高的要求。传统的带式输送机存在“大马拉小车”，电能消耗巨大，能源损耗率较高的问题，针对这一现象提出了采用变频控制技术对大型带式输送机控制系统进行优化设计，以期提高大型带式输送机的设备性能，减少能源损耗率，提升设备节能环保性能。

1 大型带式输送机变频控制系统概述

大型带式输送机的变频控制系统主要由三部分组成，分别为检测模块、控制模块以及执行模块。部件主要有传感器、PLC 可编程控制器、变频器、皮带秤以及人机对话装置等[1-2]。检测模块主要是通过带式输送机的皮带秤与带速传感器进行运量模拟信号与带速度信号采集，然后将信号转换为电流信息即可传输至PLC 可编程控制器；控制模块的工作过程为：PLC可编程控制器接受到检测模块的信号后，进行智能分析，经过判断过滤后，可对带式输送机实行速度、功率、电机启停等方面进行调节，实现由运输量的多少进行系统控制调节[3-4]。当变频器接收到PLC 可编程控制器的控制频率信号后，执行模块会按照系统的预定设置将控制信号转换为对应频率的电压信号并传输至电动机，电动机依据给定电压进行调速，实现变频控制系统调节要求。大型带式输送机变频控制系统总体系统图如图1 所示。变频控制系统的功能设计目标为可现场设定皮带机频率同时保持恒转速运转，PLC 可编程控制器可自主进行节能控制，无须人工操作。

2 PLC 可编程控制器设计

2.1 双CPU 冗余技术

PLC 可编程控制器作为变频节能控制系统的主要部件，其主要功能为对采集的实时数据进行分析处理并进行控制指令的发出。PLC 控制系统主要由CPU、I/O、传感器、存储器、设备编程器以及系统电源组成。其中，传感器主要负责频率信号、模拟量、开关量等信息的采集，然后通过I/O 数据接口可将数据存储至内部存储器中；CPU 的功能为对输入信号进行判断分析，并将生成的控制指令输出；计算机终端主要是用户进行设备以及传感器监控的设备。

双CPU 冗余技术是指在控制系统中设置双电源、双通讯以及双CPU 模块，运用容错技术对计算机控制系统实现双机热备[5-7]。当控制系统运行时，设置一台CPU 为主控制，负责系统内所有设备的控制，另一台CPU 设置为备用控制，主要起系统控制监控作用。当主控制系统在运行过程中存在错误或者故障时，通讯模块会立即发送指令到备用CPU，由主控制CPU控制系统切换为备用CPU 控制系统，从而实现CPU控制的有序衔接，防止设备因CPU 故障无法使用。

2.2 PLC 控制系统

带式输送机控制系统的节能优化主要需通过输送机负载大小的变化来调节变频器的频率，从而控制运行速度，减少能源消耗。要想达到上述目的，首先应在输送机运行后，系统进行控制的同时加入检测与变频器的环节，其次要合理分配输入与输出的节点，建立模块控制。本文主要采用皮带秤进行负载大小的检测，分别在皮带机与输送机处各安装一个皮带秤。皮带秤将采集到的信息传输给PLC 后，PLC 会依据输送机的负载数据与原设定数据进行分析比较，将控制结果转换为模拟信号后传输给皮带机处的变频器，从而实现皮带机速度的控制。皮带机处的皮带秤主要功能为数据矫正，使速度控制更为精准[8]。本文PLC 选取美国罗克韦尔公司的ControlLogix5000 1756 系列PLC 为主要控制核心。

PLC 的控制程序可分为主程序、起动预警程序、测量程序、功率平衡程序、节能调速程序、制动停车程序、紧急停车程序、连锁互锁程序以及基本保护程序等。其主要控制流程图如图2 所示。起动预警控制程序、测量程序、功率平衡程序以及节能调速程序为主要核心程序。通过将传感器检测到的煤量、速度、电压、电流等信号转化为开关量，通过PLC 进行判断分析后，可按照预先设置的控制逻辑进行运算，然后将结果转化为频率信号传输至变频器，实现自动变频控制[9]。起动预警程序主要是实现输送机各部分的顺序稳定起动；测量程序为数据采集程序；功率平衡程序主要是通过采集电机信号，调节变频器从而使得功率平衡；节能调速程序则为输送机速度控制，其具体控制流程如图3 所示。

图2 PLC 主控制流程示意图

图3 节能调速程序控制流程示意图

3 变频器设计

变频器主要由整流单元、输入滤波单元、直流滤波单元、逆变单元、制定单元以及输出滤波单元组成，其结构示意图如图4 所示。

图4 变频器结构示意图

变频器可分为交- 交变频器与交- 直- 交变频器两种。交- 直- 交变频因其频率调节范围较广，使用场合较多，调节频率可高于进线电源频率，较为适合于上述系统。交- 交变频器虽调节效率较高，能量返回电网较为方便，但其输出波形较差、最高频率的输出频率必须小于输入频率的1/3、1/2，故限制了其使用范围，不适合于上述系统。

变频调速的控制算法共有三种，分别为V/f 比恒定控制算法、矢量控制算法以及直接转矩控制算法[10]。其中，V/f 比恒定控制算法为最早的变频调速方法，但因其低速性能较差，不适合于该系统；直接转矩控制是利用电机定子电压与电流，运用空间矢量、定子磁场分析、直接在坐标系中进行数学模型分析，计算电机转矩与磁链，运用两点调节器，依据给定值与比较值的比较实现控制，使转矩控制在一定范围内。相比于矢量控制方法，其简化了控制器结构与控制方法，响应更快，故本文使用直接转矩的控制方法[11]。变频器本文选择东芝三菱的MVG-2000/10/6K 型变频器，符合相关设计要求。

4 系统测试

按上述方法对大同煤矿集团某煤矿主斜井带式输送机控制系统进行优化改造，通过调试PLC 可编程控制器、PLC 控制系统以及变频器，完成了带式输送机控制系统的优化改造。对控制系统进行速度测试分析得带式输送机实际速度与理论速度对比图如下页图5 所示，速度调节符合设计要求。对控制系统进行集中控制测试、高低压设备单控测试、变频调速测试、功能测试以及节能测试后发现，该系统运行平稳可靠，系统半年内未发生相关故障，速度可随负载的变化进行相应调节，设备电能消耗大幅度降低，按0.65 元/kW·h 的电价进行计算，一年约可节省295.8万元，降低了企业生产成本，达到节能优化目标。