变频调速技术在选煤厂皮带输送机上的应用研究

尹占军

（华阳南煤集团，山西 阳泉 045000）

引言

煤炭洗选作为煤炭生产过程中的重要环节，需要皮带输送机连续不断运行方可完成，因此必须保证皮带输送机的运行可靠性，才能确保煤炭洗选的效率和质量[1-2]。控制系统作为皮带输送机的重要组成部分，其控制技术较为关键，一旦出现故障，将会导致整个皮带输送机工作的停滞，限制选煤厂的生产产量的提升，严重的可能出现安全事故，给企业带来不可估量的经济损失[3-5]。传统的继电器控制技术应用时存在线路复杂、可靠性差、控制精度不高等问题，现已不能够满足环保高效生产的要求[6]，因此开展变频调速技术在皮带输送机中的应用研究。

1 皮带输送机结构组成

皮带输送机的主要作用是将待洗选的煤炭输送至洗选位置之后将洗选完成的煤炭运出，不断往复循环保证煤炭洗选的连续进行。选煤厂使用的某型号皮带输送机结构组成如图1 所示，包括输送带、驱动电机、滚筒、张紧装置、托辊等部件。输送带在驱动滚筒、转向滚筒及托辊等的支撑下形成连续的煤炭输送承载面；驱动电机输出的动力首先传输至减速器进行降速增扭，以保证具有足够的扭矩值实现滚筒的转动；张紧装置可以为传送带提供一定的拉力，使驱动滚筒与传送带之间产生足够的摩擦力，实现输送带连续前移输送货物的目的。

图1 皮带输送机结构组成

2 变频调速系统方案

图2 为变频调速控制系统方案，变频调速技术作为皮带输送机控制系统改进的基础，主要依据PLC 逻辑控制器设计而成，控制系统布局设置为主从结构，采用双闭环控制理念，检测皮带输送机驱动电机的输出轴端的转速和位置，利用PID 控制器调节皮带输送机驱动电机的输入频率，达到皮带输送机驱动电机载荷输出实时调整的目的。主从结构即主站和从站结构，主站设计在监控室，与上位机配合接收各个从站的信号，记录显示皮带输送机的实施运行状态，满足监控人员的工作需要。一旦皮带输送机运行过程中出现故障，变频调速系统可以检测得到故障的位置，启动故障报警程序，及时停止驱动电机，使皮带输送机停止工作。从站中的核心部件为PLC、各类传感器及相关附件，主要完成皮带输送机工作现场运行参数及环境条件数据的采集，也可以实现对皮带输送机的直接控制及对异常运行数据进行报警保护。

图2 变频调速控制系统方案

新设计的变频调速控制系统具有较多的优势：第一是具有实时显示功能，系统设计了人性化的交互界面，可以实时显示皮带输送机运行参数及故障信号，如转速、轴温、跑偏堆煤等信息；第二是防错功能，依据PLC 逻辑控制器设计的控制系统，具有不同系统功能之间的连锁闭锁控制功能，具有很好的防止误操作的效果；第三是具有软启动功能，即皮带输送机负载较大时，具备低加速度缓慢启动的功能，可以保护设备，节省能耗；第四是故障保护功能，皮带输送机工作过程中一旦出现打滑、跑偏等故障，系统可以自动停车，等待维修。

3 系统硬件设计

3.1 PLC 选型

变频调速控制系统中的可编程逻辑控制器的功能主要包括以下三点：第一是皮带输送机运行状态数据的实时采集与控制，如驱动滚筒的实时温度、实际运行工况、皮带运转速度等的运行状态参数的采集，同时也能通过主站发送控制指令，实现皮带输送机的远程控制；第二是故障诊断功能，可以对采集得到的皮带输送机运行参数实时数值进行逻辑分析处理，做出是否正常运行的判断；第三是人机交互功能，主站采集得到的实时数据可以显示在系统的上位机，监控人员能够根据需要控制皮带输送机的启停等功能。基于系统PLC 的功能要求，选取了西门子公司S7-200 系列的PLC，型号为CPU224XP，具有数据采集响应迅速、数据处理能力强、工作稳定可靠、抗干扰能力强等特点，与此同时，结构紧凑、指令丰富，足以满足变频调速控制系统的要求。

3.2 传感器选型

传感器作为变频调速控制系统中的重要组成部分，是皮带输送机运行状态数据采集的关键环节，根据控制系统功能及其皮带输送机的运行状况，确定了传感器类型及对应满足要求的型号：速度传感器型号为GSH4、温度传感器型号为GWD100、跑偏传感器型号为GEJ30、纵撕传感器型号为GVY1.5。

3.3 通讯方式配置

变频调速控制系统通讯采用RS485 属于半双工通信，其传输距离长，可达1 km 左右，传输速度快，可达10 Mbps，满足系统采集数据的实时传输要求。与此同时，RS485 通讯模式的抗干扰能力强、数据传输准确度高，内部同时设置了平衡驱动器和差分接收器，共模性很好。图3 为RS485 通讯串口接线图。

图3 RS485 通讯串口接线图

4 系统主程序设计

变频调速主程序流程如图4 所示，系统运行时首先进行初始化处理，自检程序无误之后开始张紧皮带，以便为其运转载物提供足够的摩擦力。开启系统通讯模块，使皮带输送机工作现场实时采集得到的状态信息可以快速传输至主站监控室，涉及皮带转速、滚筒温度等。通过PLC 的数据处理及分析，可以实现皮带输送机速度的调整，重载低加速度启动，轻载高加速度启动，同时，也可以根据实时监测数值判断皮带输送机是否出现故障，若出现故障及时报警停机，等待处理。

图4 控制系统主程序流程

5 应用效果评价

为了验证变频调速技术在选煤厂皮带输送机运行过程中的应用效果，完成了某选煤厂皮带输送机控制系统的改进，跟踪记录了为期半年的系统运行情况。结果表明，变频调速系统运行稳定可靠，满足皮带输送机在线调速的要求。统计结果显示，相较于皮带输送机改进之前，变频调速技术的应用降低了近15%的设备故障率，提高了皮带输送机运行的可靠性；减少了近10%的设备运行维护成本，降低了煤炭遴选成本；节省了近8%电量消耗，为企业节约了能源消耗，增加了相同时间内煤炭的运输总量，预计为企业新增经济效益近100 万元/年，取得了很好的应用效果。