智能变频控制技术在胶带输送机中的应用

卢 凯

（山西孝义西山德顺煤业有限公司， 山西 孝义 032300）

引言

胶带运输系统输送距离长、运行时间长、磨损量大、能耗量大，工作容量约占全矿井容量的30%，设备冗余功率容量的20%。为降低煤矿生产成本、提升经济效益、节能降耗，将变频控制调速技术应用于煤矿胶带输送机控制系统成为必然。变频调速技术的调速性能优异、启动/制动效果优越，并具有高效率、高功率因素的特点，使得胶带输送机趋于智能化、节能化和经济化[1-2]。传统胶带输送机采用工频拖动、液力耦合器传动的控制方案，存在的主要问题有传动效率低、启动电流冲击大、机械部件磨损严重、多机驱动功率失衡、电能浪费严重等。目前胶带输送机控制系统的研究主要集中在逆启顺停流程控制、运行状态监测、故障分析与预判以及变频调速等方面。将智能变频控制技术应用胶带输送机需主要解决的问题有：实现平滑启动与制动；可根据物料流量实时控制电动机加速或者减速，保证胶带输送机运行于最佳状态，能够适应频繁调速；具备完善的故障保护、实时通信功能；具备监控并累计胶带输送机运输物料总体统计功能[3-5]。文章基于智能变频控制技术，详细分析该方案的实现过程以及实际应用情况。

1 智能变频控制系统组成

胶带输送机智能变频控制系统组成如图1 所示，设计双电源进线变频柜，进线为1 140 V 交流电源，在该变频器柜内部安装有两个BPJ-315/1140 型变频器，还包括电抗器以及组合开关，用于“一拖一”模式控制胶带输送机的电动机1 以及电动机2。设计胶带输送机操作控制台，包括控制器、HMI、操作按钮等，与变频控制柜进行CAN 总线通信并完成对变频器1以及变频器2 的控制。设计胶带输送机综合保护系统，通过监测安装在胶带输送机机身的速度传感器、烟雾传感器、撕裂传感器、温度传感器等值，判断胶带输送机是否发生故障，并将检测到实时数据传送至胶带输送机操作控制台中的控制器进行判断和逻辑控制[6]。胶带输送机运行时需实时检测物料流量，经控制器处理后实时调节胶带带速。电动机1 以及电动机2 通过自身携带的编码器将电动机的实时转速传送给控制器，形成速度闭环控制。另外，为保证胶带输送机的安全性，设计制动单元以及制动电阻，保证胶带输送机安全停机。同时该系统还包括超温自动洒水装置、沿线急停闭锁装置，增强胶带输送机的安全性。

图1 胶带输送机智能变频控制过程

2 智能变频控制系统工作原理

胶带输送机智能变频控制系统接通电源后，按下操作控制台的启动按钮，系统开始工作，如图2 所示。变频器、控制器、液压抱闸系统、综合保护系统、速度检测系统、制动单元等按照程序设定顺序执行。胶带输送机启动后，将液压抱闸打开，发出胶带启动报警，延时2 s 后胶带输送机起车并将其运行信号反馈至操作控制平台。当系统出现故障时，将故障信号反馈至操作控制平台并执行停车过程并触发抱闸停车。

图2 胶带输送机智能变频控制系统工作原理

3 方案实现

3.1 硬件

胶带输送机智能变频控制系统硬件连接示意图如图3 所示，主要由控制系统、人机界面、变频器、故障检测单元、报警装置以及温度、速度、电流、保护等传感器检测单元组成。

图3 胶带输送机智能变频控制系统硬件连接示意图

控制系统有PLC 控制器及其扩展模块组成，选用 PLC 控制器选用西门子 S7-300 系列的CPU314C-2DP 紧凑型CPU，内置16 个DI/DO 复用端口、4 个AI/AO 复用端口，支持CAN、Profibus DP 通信，可将传感器信号转换为标准的电压或者电流信号。编程时基于STEP7 软件平台，支持LAD、ST、FBD等多种编程语言[7]。控制器输入、输出点配置详见表1所示。变频器选用的型号为BPJ-315/1140，该变频器的额定功率为315 kW，额定电压为1 140 V，额定电流为200 A，输出频率为0～50 Hz，该变频器可作为起动设备使用，实现对恒力矩负载重载起动，又可以作为调速设备使用，根据其负载情况完成胶带输送机的调速控制的要求[8-9]，与原软起动方式相比，减少了对输送机的损伤，减少了开机时皮带抖动，可以重载启动，提高了开机率等优点[10]。

表1 胶带输送机智能变频控制系统控制器输入、输出点配置

3.2 软件

胶带输送机智能变频控制系统软件实现基于STEP7 软件平台，采用ST 语言编程实现。软件实现主要包括控制方式选择、工作方式选择、启动过程变频调速、稳态过程变频调速、就地方式启停控制、模拟量处理等部分。图4 所示为胶带输送机稳态过程变频调速控制流程。控制器实时采集胶带输送机机头、机尾电动机输出电流值I1以及I2，计算ΔI=I1-I2。对于胶带输送机机头电流I1，当I1=Imax，分ΔI≤5%Ie、ΔI≥10%Ie以及5%Ie≤ΔI≤10%Ie三种情况分别完成变频器的频率调节并完成胶带输送机的加速、减速过程，详细控制流程见图4 所示。

图4 胶带输送机稳态过程变频调速控制流程

4 应用情况分析

采用智能变频控制方案的胶带输送机在某煤矿完成实际应用， 该胶带输送机的型号为DSJ120/150/2×315，满载平均输送量为1 500 t/h，非满载平均输送量为800 t/h，带速为3.5 m/s，年输送物料为180 万t，满载运行工作时间为全年工作时间的60%。表2 所示为该煤矿使用的胶带输送机功率、能耗数据统计表。

表2 胶带输送机功率、能耗数据

该胶带输送机的年满载工作时间可表示为t1=年非满载工作时间表示为

由表2 可知，当胶带输送机的带速为3 m/s 时，满载消耗功率为625 kW，非满载消耗功率为377 kW，以电价0.5 元/kW·h 计算，该胶带输送机年耗电电费可表示为C1=625×720×0.5+377×900×0.5=225 000+169 650=39.465 万元。

采用智能变频调速方案后，胶带输送机非满载时带速调节为1.5 m/s，消耗功率为235 kW，则该胶带输送机年耗电电费可表示为C2=625×720×0.5+235×900×0.5=225 000+105 750=33.075 万元。

则采用智能变频控制方案后，该胶带输送机年节约电费可表示为ΔC=C1-C2=39.465-33.075=6.39 万元。

胶带输送机采用智能变频调速方案后，不但取得较好的经济效益，而且降低了机械损耗和机械故障发生率，进一步提升了胶带输送机的机械损耗费用和工作效率。

5 结语

采用智能变频控制技术完成的胶带输送机控制系统，能够根据胶带输送机实际物料流量调节变频器输出频率，进而完成对胶带带速的实时调节，避免长时间空载或者轻载，造成电能浪费。应用该控制方案后，年节约电费约6.39 万元，同时保证了胶带输送机高效、稳定、安全运行。