王小雅

（山西焦煤西山煤電官地選煤廠， 山西 太原 030022）

引言

選煤廠皮帶輸送機(jī)是核心運(yùn)輸設(shè)備，同時(shí)也是高耗能設(shè)備，常處于空載或者輕載運(yùn)行狀態(tài)，造成極大的電能浪費(fèi)。因此，皮帶輸送機(jī)高效、節(jié)能運(yùn)輸問(wèn)題值得科研人員研究和探討。變頻控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于選煤廠皮帶輸送機(jī)的控制系統(tǒng)，使得帶速能夠隨著煤料流量的不同自行調(diào)節(jié)，減小電能損耗，減小機(jī)械磨損，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[1]。國(guó)內(nèi)外皮帶控制專家針對(duì)選煤廠皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)展開(kāi)一系列的研究，如文獻(xiàn)[2]根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)完成皮帶運(yùn)輸機(jī)的調(diào)速，并控制皮帶輸送機(jī)的輸出功率，使其在設(shè)定范圍內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)帶速隨煤流量自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。文獻(xiàn)[3]利用模糊控制策略調(diào)整皮帶運(yùn)輸機(jī)帶速，將煤流量模糊化，并通過(guò)模糊控制算法實(shí)現(xiàn)帶速調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[4]建立皮帶輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)模型和輸送系統(tǒng)模型，分析影響帶速調(diào)節(jié)的因素，并基于仿真軟件完成電動(dòng)機(jī)輸出電壓仿真，為提升皮帶輸送機(jī)的節(jié)能效果提供理論基礎(chǔ)。文章以選煤廠用皮帶輸送機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于ControlLogix5000 控制器的智能調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到智能調(diào)速、節(jié)約電能的目的。

1 皮帶輸送機(jī)功耗分析

選煤廠用皮帶輸送機(jī)由輸送帶、滾筒、托輥、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及機(jī)架等部分組成。通過(guò)安裝在前后滾筒的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)行，依靠輸送帶與滾筒的摩擦力使得輸送帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到運(yùn)輸煤料的目的。皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中受到的阻力有基本阻力，即托輥間、輸送帶與煤料間的阻力；傾斜阻力，即煤料在傾斜方向?qū)斔蛶У淖枇?；附加阻力，即改向滾筒阻力、驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)阻力、落煤區(qū)阻力等[5-6]。在分析影響皮帶輸送機(jī)功耗時(shí)，附加阻力可忽略不計(jì)，主要影響因素為基本阻力、傾斜阻力。帶式輸送機(jī)的基本阻力、傾斜阻力為固定不變因素，影響帶式輸送機(jī)功耗的主要因素為煤流量Q 以及帶速V。

2 智能調(diào)速方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

選煤廠用皮帶輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，由可編程邏輯控制器及其擴(kuò)展模塊組成核心職能調(diào)速控制系統(tǒng)，外接的輸入信號(hào)速度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶輸送機(jī)的帶速，皮帶秤用于監(jiān)測(cè)輸送皮帶上煤料的重量，功率采集模塊用于監(jiān)控調(diào)速系統(tǒng)的有功功率和功率因素。為保證帶式輸送機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)綜合保護(hù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶輸送機(jī)的堆煤、撕裂、煙霧、跑偏、拉繩等故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，在上位機(jī)自動(dòng)彈出故障報(bào)警界面并發(fā)出聲光語(yǔ)音報(bào)警。皮帶輸送機(jī)前后配置異步變頻電動(dòng)機(jī)，采用“一拖一”CAN 總線通信模式變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)行。變頻驅(qū)動(dòng)模式采用V/F+矢量控制方案，在變頻器內(nèi)部設(shè)置多級(jí)速度給定，當(dāng)皮帶輸送機(jī)煤料負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，采用V/F、矢量控制方法適時(shí)調(diào)節(jié)帶速[7-8]。設(shè)置上位機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)CAN 總線通信獲取皮帶輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，觸發(fā)故障報(bào)警。

圖1 選煤廠帶式輸送機(jī)智能調(diào)速總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

選煤廠用皮帶輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)用到的核心硬件包括控制器、變頻器、皮帶秤、功率監(jiān)測(cè)器、速度傳感器以及撕裂、煙霧、跑偏等傳感器?？刂破鬟x用羅克韋爾的ControlLogix5000 1756 系列控制器，采用雙CPU 冗余技術(shù)、模塊化、可擴(kuò)展集約結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有隔離I/O 和高性能診斷功能；支持TCP/IP、CAN、CANopen、Modbus、DeviceNet、RS485 等 多 種 通 信 模式；支持過(guò)程控制、安全控制、運(yùn)動(dòng)控制等，滿足選煤廠帶式輸送機(jī)調(diào)速功能。變頻器選用的型號(hào)為東芝-三菱MVG-2000/10/6K，該變頻器的額定容量為2 000 kVA，額定輸入電壓為10 kV/50 Hz/3 Ph，額定輸出電壓為6 kV，控制精度≤0.1%，功率不平衡度≤2%；具備過(guò)壓、過(guò)載、過(guò)流、缺相、輸出短路等保護(hù)功能[9-10]。皮帶秤選用的型號(hào)為ICS-ST，具有測(cè)量精度高、安全性好的特點(diǎn)，當(dāng)煤料經(jīng)輸送帶通過(guò)該電子稱時(shí)，煤料重力作用于皮帶秤并生成電壓信號(hào)傳送至控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤料重量。功率監(jiān)測(cè)模塊選用的型號(hào)為EDA9033A，該模塊為智能型三相電參數(shù)綜合采集裝置，可通過(guò)RS485、CAN 總線等多種通信方式將電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)傳送至控制器。速度傳感器選用的型號(hào)為GSC4，該速度傳感器檢測(cè)精確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，額定電壓為DC 12 V，測(cè)量范圍為0～5 m/s。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

選煤廠用皮帶輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)基于RSlogix5000 軟件編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，可完成常規(guī)編程、組態(tài)、監(jiān)控以及診斷功能。根據(jù)調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，將軟件系統(tǒng)劃分為主程序模塊、系統(tǒng)初始化模塊、故障自診斷模塊、故障保護(hù)模塊、輸入信號(hào)處理模塊、能耗優(yōu)化控制策略模塊以及控制過(guò)程處理模塊，詳細(xì)如圖2 所示。每個(gè)模塊可獨(dú)立編程，并留有接口函數(shù)與其他模塊完成功能交互。

圖2 選煤廠帶式輸送機(jī)智能調(diào)速軟件系統(tǒng)模塊劃分

3 應(yīng)用情況

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)選煤廠皮帶輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的正確性和適用性，在選煤廠用皮帶輸送機(jī)完成實(shí)際應(yīng)用，該皮帶輸送機(jī)型號(hào)為DTC80/15/2*132，帶寬B=800 mm，額定運(yùn)量Q=150 t/h，帶速為2.5 m/s，傾角為＆=19°，前后電動(dòng)機(jī)的額定電壓為660 V，額定功率為2×132 kW，年平均工作日300 d，每天工作18 h。根據(jù)皮帶輸送機(jī)煤流量與帶速的正比關(guān)系可知，該皮帶輸送機(jī)的額定年煤流量t/h。該皮帶輸送機(jī)的冗余比

該皮帶輸送機(jī)采用該方案前采用恒速運(yùn)行模式，實(shí)際消耗功率為額定功率，則全年生產(chǎn)時(shí)所需的電量W=2×264 kW×300 d×18 h=2 851 200 kWh。

采用該智能調(diào)速方案后實(shí)際運(yùn)行帶速與煤料流量自適應(yīng)匹配，且煤流量與帶速成正比例關(guān)系。當(dāng)該皮帶輸送機(jī)運(yùn)量為593 t/h，帶速為2.5 m/s，電動(dòng)機(jī)功率為264 kW 時(shí)，優(yōu)化后的年消耗電量W1=264×300×18=1425600kWh。年節(jié)電率100%=50%。

即采用設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的智能調(diào)速方案后，年節(jié)電率可達(dá)50%，節(jié)能效果明顯。另外，皮帶輸送機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成托輥與皮帶之間的機(jī)械磨損，運(yùn)行速度越大，磨損越嚴(yán)重；運(yùn)行速度越小，磨損越小。因此，采用優(yōu)化方案后減小了機(jī)械磨損，年節(jié)約機(jī)械材料配件費(fèi)用約11.2 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

基于變頻控制技術(shù)設(shè)計(jì)的選煤廠用皮帶輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際使用證明了該方案的正確性、可行性和適用性，達(dá)到了節(jié)約電能、高效運(yùn)輸?shù)哪康?。在后續(xù)的選煤廠皮帶輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)研究時(shí)，可增加模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立皮帶輸送機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)帶速、煤料流量、輸出頻率、運(yùn)行電壓、運(yùn)行電流等核心參數(shù)進(jìn)行仿真，達(dá)到最優(yōu)匹配效果，進(jìn)一步完善和提升皮帶智能調(diào)速系統(tǒng)性能。