选煤厂皮带输送机智能调速系统设计

王小雅

（山西焦煤西山煤电官地选煤厂， 山西 太原 030022）

引言

选煤厂皮带输送机是核心运输设备，同时也是高耗能设备，常处于空载或者轻载运行状态，造成极大的电能浪费。因此，皮带输送机高效、节能运输问题值得科研人员研究和探讨。变频控制技术逐渐应用于选煤厂皮带输送机的控制系统，使得带速能够随着煤料流量的不同自行调节，减小电能损耗，减小机械磨损，达到节能降耗的目的[1]。国内外皮带控制专家针对选煤厂皮带运输机控制系统展开一系列的研究，如文献[2]根据负载变化自动完成皮带运输机的调速，并控制皮带输送机的输出功率，使其在设定范围内变化，实现带速随煤流量自动调节的目的。文献[3]利用模糊控制策略调整皮带运输机带速，将煤流量模糊化，并通过模糊控制算法实现带速调节。文献[4]建立皮带输送机变频驱动模型和输送系统模型，分析影响带速调节的因素，并基于仿真软件完成电动机输出电压仿真，为提升皮带输送机的节能效果提供理论基础。文章以选煤厂用皮带输送机为研究对象，设计基于ControlLogix5000 控制器的智能调速系统，达到智能调速、节约电能的目的。

1 皮带输送机功耗分析

选煤厂用皮带输送机由输送带、滚筒、托辊、驱动系统、张紧系统、保护系统、控制系统以及机架等部分组成。通过安装在前后滚筒的电动机驱动滚筒运行，依靠输送带与滚筒的摩擦力使得输送带连续运转，达到运输煤料的目的。皮带输送机运行过程中受到的阻力有基本阻力，即托辊间、输送带与煤料间的阻力；倾斜阻力，即煤料在倾斜方向对输送带的阻力；附加阻力，即改向滚筒阻力、驱动滚筒转动阻力、落煤区阻力等[5-6]。在分析影响皮带输送机功耗时，附加阻力可忽略不计，主要影响因素为基本阻力、倾斜阻力。带式输送机的基本阻力、倾斜阻力为固定不变因素，影响带式输送机功耗的主要因素为煤流量Q 以及带速V。

2 智能调速方案设计

2.1 总体设计

选煤厂用皮带输送机智能调速系统总体设计如图1 所示，由可编程逻辑控制器及其扩展模块组成核心职能调速控制系统，外接的输入信号速度传感器用于实时监测皮带输送机的带速，皮带秤用于监测输送皮带上煤料的重量，功率采集模块用于监控调速系统的有功功率和功率因素。为保证带式输送机安全、稳定运行，设计综合保护器，实时监测皮带输送机的堆煤、撕裂、烟雾、跑偏、拉绳等故障，当故障发生时，在上位机自动弹出故障报警界面并发出声光语音报警。皮带输送机前后配置异步变频电动机，采用“一拖一”CAN 总线通信模式变频驱动电动机，进而驱动皮带运行。变频驱动模式采用V/F+矢量控制方案，在变频器内部设置多级速度给定，当皮带输送机煤料负载发生变化时，采用V/F、矢量控制方法适时调节带速[7-8]。设置上位机系统，经CAN 总线通信获取皮带输送机智能调速控制系统的所有数据进行展示，当系统发生故障时，触发故障报警。

图1 选煤厂带式输送机智能调速总体设计框图

2.2 硬件设计

选煤厂用皮带输送机智能调速控制系统用到的核心硬件包括控制器、变频器、皮带秤、功率监测器、速度传感器以及撕裂、烟雾、跑偏等传感器。控制器选用罗克韦尔的ControlLogix5000 1756 系列控制器，采用双CPU 冗余技术、模块化、可扩展集约结构设计，具有隔离I/O 和高性能诊断功能；支持TCP/IP、CAN、CANopen、Modbus、DeviceNet、RS485 等 多 种 通 信 模式；支持过程控制、安全控制、运动控制等，满足选煤厂带式输送机调速功能。变频器选用的型号为东芝-三菱MVG-2000/10/6K，该变频器的额定容量为2 000 kVA，额定输入电压为10 kV/50 Hz/3 Ph，额定输出电压为6 kV，控制精度≤0.1%，功率不平衡度≤2%；具备过压、过载、过流、缺相、输出短路等保护功能[9-10]。皮带秤选用的型号为ICS-ST，具有测量精度高、安全性好的特点，当煤料经输送带通过该电子称时，煤料重力作用于皮带秤并生成电压信号传送至控制器，实时监测煤料重量。功率监测模块选用的型号为EDA9033A，该模块为智能型三相电参数综合采集装置，可通过RS485、CAN 总线等多种通信方式将电压、电流、有功功率、功率因数等数据传送至控制器。速度传感器选用的型号为GSC4，该速度传感器检测精确、结构简单，额定电压为DC 12 V，测量范围为0～5 m/s。

2.3 软件设计

选煤厂用皮带输送机智能调速控制系统基于RSlogix5000 软件编程平台实现，可完成常规编程、组态、监控以及诊断功能。根据调速控制系统实现的功能，将软件系统划分为主程序模块、系统初始化模块、故障自诊断模块、故障保护模块、输入信号处理模块、能耗优化控制策略模块以及控制过程处理模块，详细如图2 所示。每个模块可独立编程，并留有接口函数与其他模块完成功能交互。

图2 选煤厂带式输送机智能调速软件系统模块划分

3 应用情况

为验证设计并实现选煤厂皮带输送机智能调速系统的正确性和适用性，在选煤厂用皮带输送机完成实际应用，该皮带输送机型号为DTC80/15/2*132，带宽B=800 mm，额定运量Q=150 t/h，带速为2.5 m/s，倾角为＆=19°，前后电动机的额定电压为660 V，额定功率为2×132 kW，年平均工作日300 d，每天工作18 h。根据皮带输送机煤流量与带速的正比关系可知，该皮带输送机的额定年煤流量t/h。该皮带输送机的冗余比

该皮带输送机采用该方案前采用恒速运行模式，实际消耗功率为额定功率，则全年生产时所需的电量W=2×264 kW×300 d×18 h=2 851 200 kWh。

采用该智能调速方案后实际运行带速与煤料流量自适应匹配，且煤流量与带速成正比例关系。当该皮带输送机运量为593 t/h，带速为2.5 m/s，电动机功率为264 kW 时，优化后的年消耗电量W1=264×300×18=1425600kWh。年节电率100%=50%。

即采用设计并实现的智能调速方案后，年节电率可达50%，节能效果明显。另外，皮带输送机恒速运行时，会造成托辊与皮带之间的机械磨损，运行速度越大，磨损越严重；运行速度越小，磨损越小。因此，采用优化方案后减小了机械磨损，年节约机械材料配件费用约11.2 万元。

4 结语

基于变频控制技术设计的选煤厂用皮带输送机智能调速系统，经实际使用证明了该方案的正确性、可行性和适用性，达到了节约电能、高效运输的目的。在后续的选煤厂皮带输送机智能调速系统研究时，可增加模糊控制技术、神经网络技术，建立皮带输送机数学模型，对带速、煤料流量、输出频率、运行电压、运行电流等核心参数进行仿真，达到最优匹配效果，进一步完善和提升皮带智能调速系统性能。