皮带运输机变频节能控制系统设计

谢明明

（山西焦煤西山煤电马兰矿选煤厂， 山西 古交 030205）

引言

皮带运输机（简称“皮带机”）作为煤矿主要运输设备，其能耗量随运输距离及运输量的增加而不断增大[1-3]，因此研究针对皮带运输机的节能技术及手段对于提高煤矿开采效率，实现节能减排要求至关重要。由于很多皮带机采用恒转速运行方式，皮带机以额定功率恒定运行，而井下采煤量时刻发生着变化，当采煤量较小时，皮带机处于轻载甚至空载状态，以恒定转速运行的皮带机此时电机做功效率较低，同时磨损增大，不仅会造成大量的电能损耗，还存在过热甚至起火等安全隐患。目前通过变频器实现对皮带机的软启动及变频调速是解决这一问题的主要手段。但是皮带机的带速仍需人工通过运载量的实时改变进行确定，判断误差较大，无法实现对带速的连续调节。

通过上述分析可以看出，根据实际生产情况对煤量进行自动识别，并以此控制变频器输出对电机功率进行调整，实现带速与运载量的合理匹配及自动调速控制是实现煤矿皮带机智能化节能运行的关键。针对上述问题，本文采用变频控制技术对皮带机电机进行软启动控制及转速调节，并通过传感器对皮带机的运载量进行自动识别监测，最终由主控器控制变频器的输出对电机功率进行实时调节，实现皮带机的自适应调速控制，从而有效提高煤矿皮带机的运行节能性及智能化程度。

1 变频节能控制系统设计方案

1.1 系统功能需求分析

本文所设计的皮带机变频节能控制系统的主要功能是实现对煤量的自动监测识别，并通过负载变化量对皮带机带速进行自适应自动调节，从而实现节能运行。变频控制系统具体功能如下：

1）皮带机软启动及变频调速控制。系统通过对变频调速装置的设计实现皮带机软启动，从而有效减小电机启动电流；系统通过控制器控制变频器输出，从而实现对皮带机电机转速的变频调节。

2）皮带机运煤量及运行状态实时监测。系统通过传感器与控制器实现皮带机运煤量的实时采集与自动识别，同时可对皮带机撕裂、跑偏、堆煤等故障情况进行实时监测及报警。

3）具备自动及手动两种控制模式。系统可根据上位机监控软件对皮带机启停及调速进行自动控制，同时可无扰动切换至手动模式，通过遥控器控制及就地操作方式对皮带机控制进行手动操作。

4）智能化人机交互平台。系统通过对控制软件及人机交互界面的设计实现对皮带机煤量、变频器运行参数、皮带机运行状态及故障报警等关键数据的实时直观显示，并具备数据管理、存储等功能。

1.2 系统总体结构设计

通过对皮带机变频节能控制系统主要功能的分析，本文采用模块化思想对系统整体结构进行设计，系统主要由上位机监控平台、PLC 主控单元、变频器驱动单元、数据采集单元及通信网络等部分组成，系统相应结构如图1 所示。

上位机监控平台主要包括智能人机交互界面及操作指示台，用于对皮带机运行数据分析监测及控制指令的下达。本文选用PLC 可编程控制器作为系统控制核心，用于接收来自数据采集单元的模拟量参数，通过以太网与上位机实现通信，将控制指令通过Profibus 下达至变频器用于实时调整皮带机电机输出功率及转速。变频器通过接收来自PLC 的变频指令实现对皮带机电机功率的变频控制。参数采集单元主要由各类传感器组成，其中对带速及运煤量的采集是实现系统煤量自动识别及带速自适应变频调节的关键，对撕裂、跑偏、温度等参数的实时监测可为皮带机运行保护提供必要支撑。系统的通信网络由工业以太网、Profibus 及RS485 总线构成，分别用于上位机与PLC、PLC 与变频器、PLC 与电量采集仪的数据交互。

2 硬件平台设计

皮带机变频节能控制系统的硬件平台架构主要包括PLC 主控单元、数据采集单元及变频器的选型设计。

2.1 PLC 主控单元设计

本系统中PLC 主控器的主要功能分别为数据采集单元模拟量信号接收、电量采集仪电参数采集、上位机控制指令接收及变频器模拟控制信号输出。为了保证系统的控制精度及可靠性，本文选用西门子S7-1500 PLC 作为主控器，中央处理器型号选用1513-1PN，电源模块型号选择PM 70W 120/230 VAC。在输入输出模块选型方面，AI 模块型号选择SM331，AI 模块型号选择SM331，DO 模块型号选择SM322，其输入输出端口数量可完全满足本系统需求。

2.2 数据采集单元设计

数据采集单元主要由各类传感器组成，主要用于对带速及煤量的实时测量，以及对电机、变频器等主要设备运行参数及皮带机跑偏撕裂等故障进行监测，其结构如图2 所示。

图2 数据采集单元结构

带速及煤量数据的准确实时采集对于实现本文皮带机带速自适应调节至关重要。本文选用GSD5-I型矿业速度传感器对皮带机带速进行测量，GSD5-I检测范围为0～5 m/s，线性度误差精度为±2.5%，可满足本系统测量需求。安装位置选择为感应端靠近磁钢的机架处，同时还具备低速打滑保护功能，当保护动作时发出报警并发出皮带机停止运转信号。

目前针对煤量监测的设备以皮带秤为主，主要分为电子皮带秤和核子皮带秤两种类型。电子皮带秤安装较为复杂，同时易受皮带机振动、磨损及张力等因素影响导致测量精度较低。核子皮带秤的原理是通过运载物料对射线强度的衰减比计算出皮带机负荷，再乘以此时皮带机的运行速度即可得出物料瞬时流量、累计量等参数，实现对煤量的非接触在线连续测量。核子皮带秤测量精度不受皮带机状态影响，精度更高，且安装维护方便，可靠性高，因此本文选用核子皮带秤对煤量进行监测，选用型号为HC-2000，在皮带机正常运行时，其动态累计误差≤±1%，计量及控制误差稳定控制在±2%以内，性能稳定，动态测量精度高，可完全满足本系统对煤量监测精度的需求。

2.3 变频调速单元设计

本系统的控制对象为机头三电机驱动皮带运输机，为了保证系统控制效果，系统采用一拖一运行方式，通过三台变频器对三台电机进行独立控制。为了保证三台电机功率平衡，使其输出转速同步，分别设置一台主变频器以转速调节模式作为主传动运行，其余两台均采用转矩调节模式以从传动运行实现功率平衡，三台变频器均有PLC 主从控制单元进行控制。为了保证系统控制效果，本文在变频器选型上采用西门子6SR450 型无谐波变频器对皮带机电机进行变频调速控制，其输入特性优良，功率因数较高，可避免由低功率因数导致的谐波、谐振等影响。同时其输出波形标准度高，无需设置额外滤波器降低转矩脉动，可大大降低电机损耗，从而提高皮带机电机使用寿命。

3 软件平台设计

皮带机变频节能控制系统除具备电机软启动、变频调速及报警停机等基本功能外，还具备对运行状态实时监测保护及带速自适应调节功能，上位机搭载的智能化人机交互界面可用于对主要设备参数的远程设置及各类控制操作，运行参数及相应曲线可在监控平台实时显示，控制系统软件具体功能如第305页图3 所示。

4 结语

本文在传统皮带运输机变频控制系统的基础上，将传感器所采集的带速及煤量作为反馈量，由PLC主控单元按照调速运算结果对变频器进行输出频率控制，从而实现皮带运输机带速跟随运煤量实时调整的自适应带速调节，同时具备皮带运输机运行状态监测功能，有效提高皮带运输机节能效果及智能化运行水平。