胶带运输机变频调速节能控制系统的设计分析

＊李锦龙

（晋能控股煤业集团地煤精通兴旺煤业有限公司 山西 037007）

1.优化策略分析

胶带运输机在开启瞬间会产生极强的冲击电流，其强度大约是额定电流的5～7倍，这样不仅浪费电能，同时还有可能烧毁电机。与此同时，胶带张力也会随着电机的开启瞬间增大，这样不仅会造成胶带打滑，甚至情况严重者造成断带安全事故。作为电机常见开启方式之一，软启动可以对冲击电流进行有效降低。随着煤矿开采效率的提高，胶带运输机额定功率需求也在不断增大。与此同时，单电机所需要的的启动功率也要随之增大，并且电机维护保养也极为困难。相比单电机驱动而言，虽然多电机驱动更适合现有胶带运输机的使用，但是也存在明显的缺点那就是驱动功率无法保持平衡。目前绝大部分胶带运输机工作模式落后、运输效率低下，因此可以通过改变电机转速或者电机数量对其进行优化改进，经过多方面分析研究，最终决定通过改变调速控制方式对其进行优化改进。相对而言，变频调速具有如下四方面优势：其一可以确保设备软启动功能的有效实现；其二可以在多电机启动时驱动功率保持平衡；其三可以对电机工作状态进行精准控制；其四可以让运输机更加节省电能。

2.变频调速节能控制系统设计

(1)总体方案设计

变频调速节能控制系统的主要作用就是对胶带运输工作状态进行实时控制，其中主要包含三个方面：第一方面对各种输入、输出信号进行检测；第二方面对获取的各种数据进行分析处理；第三方面对电机运行速度进行控制，最终确保胶带运输机可以进行节能运行。通常来说胶带运输机是由众多多级胶带机共同组成，以此为设计基础将DSR控制器作为系统控制中心，对电机输入、输出信号进行采集，同时结合传感器反馈的运行数据，对电机的工作状态进行调节从而达到最佳。其组成结构如图1所示。

图1 胶带机变频调速节能控制原理图

(2)硬件设计

①DSP选型。因为系统对运算速度具有较高的要求，传统的PLC控制系统无法满足变频调速控制系统需求，所以本次选择TMS320F2812型号的DSP控制器。该控制器的技术核心就是静态CMOS技术，其主频最高可达150MHz，同时还配置了32位CPU处理器。这样不仅让控制器具有强大的数据计算能力，同时还具有强大的实时控制能力。作为控制系统的核心组成，DSP控制器主要作用就是生成控制指令以及计算电机最优转速。当胶带运输机正常运行时，首先要对传感器信号进行接受；然后对传感器信号进行分析处理计算出电机最优转速；其次将控制信号传递给变频器，对电机输入电压的频率和大小进行调节；最后通过改变电机的转速来对胶带输送机的正常工作速度进行实时调整。

②变频器。变频器作为电机转速调节的主要设备，因为工作条件原因，对其防爆性能具有极高要求，因此本次选择BPJI-47/660型号防爆变频器。在胶带运输机正常工作中，根据煤炭运输量以及实时电价，对其运行速度进行调节。当电价相对较低时，可以通过DSP控制器让胶带运输机工作转速提高，从而让煤炭运输量增加；当电价相对较高时，可以通过DSP控制器让胶带运输机工作转速降低，从而让煤炭运输量减少。

③胶带秤。胶带运输机可通过胶带秤对其运载载荷进行实时监测，因为工作环境以及性能要求，所以将防爆型核子秤作为首选。该装置使用参数如下所示：适用于物料运输宽度范围在200～2000mm之间，输送速度范围在0～5m/s之间；平均工作时间超过1500h；电机正常工作温度范围在0～50℃之间；电机额定功率大约在250W；电源要求大约在50Hz，220V。

④煤仓料位计。胶带运输机变频调速控制的主要因素之一就是煤炭储存量，假如胶带运输机煤炭运载载荷相对较大很可能导致煤炭溢出煤仓；假如胶带运输机煤炭运载载荷相对较小很可能会对煤炭连续性运输产生影响，所以需要通过煤仓料位计对煤仓中煤炭储存量进行实时监测。根据工作环境以及性能要求，可以将超声波料位计作为首选。该装置使用参数如下所示：超声波发射角度在50°左右；过程温度范围在-30～70℃之间；测量精度在10mm左右；输入工作电流范围在4～20mA之间。

⑤转速传感器。作为胶带运输机变频调速控制的基础，就是要对胶带运输机的工作转速进行深入了解，所以需要对胶带运输机进行实时监测，从而对其实时转速数据进行获取。本次设计主要是通过磁阻式转速传感器对胶带运输机工作转速进行实时监测，该传感器工作原理就是电磁感应，然后通过传感器将机械转速转化成脉冲电量。利用电磁感应对胶带运输机的正常工作转速进行脉冲转化，从而实现对运行转速的实时监测。

⑥智能显示及人机对话装置。胶带运输机变频调速控制系统具有完整的人机交互窗口，智能显示及人机对话装置不仅能对胶带运输工作状态进行显示，同时还能对胶带运输工作状态进行控制。该装置使用参数如下所示：机箱采用新型IPC-810B型号；动力电源采用PS-7270型号；安装底板采用IPC-6113LP4型号；CPU处理器采用E5200型号；储存硬盘内存250G。

(3)软件设计

①主程序。胶带运输机变频调试节能控制系统模块主要由三部分组成：第一部分软启动功能模块；第二部分多电机启动驱动功率保持平衡模块以及第三部分变频调速电能节能模块。首先通过胶带秤对煤炭运输载荷进行检测；其次将检测数据传递到DSP控制器，再和传感器数据相结合，对其最优工作转速进行计算；然后DSP控制器将计算的最优转速数据信号传递给变频器；最后通过变频器对电机转速进行调节，从而使设备的节能控制得到有效实现。其控制流程如图2所示。

图2 主程序具体控制流程图

②变频调速程序。作为DSP控制器控制信号的接受程序，变频调速程序通过改变电机的转速和转动频率，让胶带运输机达到最佳工作状态，从而确保节能降耗的实现。其变频调速控制流程如图3所示。

图3 变频调速控制流程图

③紧急情况处理程序。胶带输送机保持正常工作状态，无论煤仓储存量高于上限值，还是低于下限值，都会对胶带输送机正常运行产生不利影响。因此，为了避免溢仓、空仓的情况出现，特意新增了紧急情况处理程序，其控制流程如图4所示。

图4 紧急情况下的处理流程图

④软启动控制程序。软启动控制程序的主要作用就是对启动电流冲击进行降低，由DSP控制机器发送控制信号，通过速度斜坡曲线对电机启动速度进行调整。其控制流程图如图5所示。

图5 软启动控制流程图

3.应用效果评价

经过半年的矿井运行测试，胶带运输机变频调速节能控制系统运行效果良好，不仅让系统更加稳定可靠，同时还让软启动以及节能降耗得到实现。根据业内相关人士分析，假如该系统正式投入使用，不仅可以给企业带来巨大的经济效益，同时还可以为企业的快速发展奠定坚实基础。