带式输送机变频调速自动控制系统的设计与应用_李酉杰.pdf

带式输送机变频调速自动控制系统的设计与应用李酉杰（山西焦煤西山煤电马兰矿选煤厂，山西太原030053）摘要：针对目前选煤厂所使用的带式输送机在选型的过程中，由于电动机功率过高导致电能浪费的问题，简要介绍常用节能技术，并对变频调速技术进行着重分析，探究了自动控制系统的设计和应用情况，以提高带式输送机自动化水平，提升煤矿的生产效率。关键词：带式输送机自动控制变频调速中图分类号：TM921.5文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0200-03引言带式输送机是选煤厂生产工作中用于原煤运输的重要设备，这种设备的运行具有持续性特点，且工作功率较大。在煤矿综采设备不断发展的背景下，带式输送机高能耗运行模式已经无法满足当前的使用需求。传统带式输送机无法实现速度调节功能，因而需要频繁启停，加之电机功率不均衡，导致工作人员要频繁进行维修。因而对带式输送机进行变频技术改造，可以有效提高自动化水平，进一步提升煤矿的生产效率。1变频调速节能技术的工作原理1.1带式输送机功率和带速的关系由于选煤厂的产能提升，对于设备功率也有更高的要求，因而带式输送机运煤量越来越大，与之相伴的就是能耗的提高。选煤厂生产中所配置的带式输送机电机型号、减速箱型号以及各部分装置配件都是固定的，同时设备运行速度也不可调节，因而无论是处于何种荷载情况，电动机都会以恒定速度运行，无法结合荷载来调节设备的运行速度。按照带式输送机运行过程中的工作阻力来进行计算，Q 为运煤重量、V为速度、P 为电动机功率，Q 和 V 对于 P 的影响作用是最为显著的，如果 Q 不变，则 P 和 V 成正比，换言之，就是电动机功率越高，带速越大，具体关系如图1 所示。因而在满足于运煤量的前提之下，如何控制带速就成为了能否实现电动机节能的关键。1.2带式输送机变频调速节能效果预测对于选煤厂煤炭运输工作而言，设备选型过程中都需要确保设备留有一定的富余量，为了能够求得运煤量恒定的情况下，电动机功率和带速变化之间的关系，设计了如下实验进行验证：假定运煤量为 500 t/h，在改变了输送机带速之后，单位长度皮带内的煤炭质量发生变化，则单位长度皮带填充率也出现了改变，进而分析功率和能耗的变化情况。相关实验结果表明，在煤量保持不变的情况下，带速越低，则单位长度内的物料重量和皮带填充率都会发生变化，进而降低了电动机消耗功率。也就是说，运输相同重量的煤炭，降低带速会进一步提升皮带填充率，降低电能浪费，在这个过程中，皮带电动机由于充分做功，提高了能源利用率。因而使用变频控制技术可以合理控制带式输送机的运行功率和运行速度，从而实现节约电能的目标。但如果带速过低，又会由于阻力过大导致设备超负荷，降低设备的使用年限，这就需要将带速控制在一个合理的区间当中。2带式输送机自动控制系统的设计2.1硬件设计2.1.1基本构成本系统核心控制单元选型为 S7-300 型 PLC 设备，具体包括有 PLC 控制主站、带式输送机保护结构、机身 PLC控制分站以及通信信号等。这些部分承担采集数据、传输信息功能，在此基础上，经过数据分析，可以将相关信息显示在屏幕上，且具备数据储存功能，在发生事故时可以及时进行报警，从而让系统可以实现自动启停功能。该系统可以直接通过网络上传相关信息，并且具备远程单机和多设备联动控制功能。2.1.2传感器选型要点速度传感器的功能主要在于测量传送带的运行速度，如果在检测中发现速度存在异常，则由主控设备向励磁回路晶闸管发送信号；温度传感器则主要进行温度的测量，设有继承感温探头，对待测点的温度进行测量，之后再将信息向主控制主机进行传输，一旦超温则可自动洒水保护；烟雾传感器则用于检测设收稿日期：2022-03-29作者简介：李酉杰（1993），男，本科，毕业于河北工程大学机械制造及其自动化专业，从事选煤厂生产管理工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.079图 1带式输送机功率与带速关系示意图速度，V功率，PQ1Q2Q3Q1Q2Q3自动化系统设计2023 年第 2 期备运行环境中的烟雾情况，如果烟雾含量达到了 0.1mg/m3，就会输出低电平信号，启动保护；跑偏传感器则检测胶带的运行是否跑偏，利用跑偏开关上的探杆来对牵引探杆轴进行旋转，在旋转刀某个角度，即可开动行程开关，进而控制主机启动跑偏信号；堆煤传感器主要承担煤位保护方面的功能；撕裂传感器则主要用于避免胶带撕裂，如果作用力达到 20 N 以上，就会启动，无物料的情况下输出电阻值在 1 k 以上，如果该数据不足 2，则可在延时 2 s 后关停设备；急停传感器则是在检测到拉杆受到较大动力之后即可发动，输出控制信号，并完成锁定。在设备锁定之后，需要工作人员进行人工复位，才能再次开启设备。2.2软件设计对于 PLC 的现场控制和控制中心而言，其通信模块设备为 CP343-1，属于一种以太网模块，而控制中心则在操作服务器上装有 S7SIEMENS SOFTNET，除此之外还安装了 Intouch 的 OPCLINK 驱动程序，来让客户端可以正常启动。除此之外，采用以太网还可以顺利实现通信功能，让二者之间完成数据交流交换。如图 2 所示，为该系统的软件架构示意图。所应用的上位监控软件为 Client/server。具体来看，其中有一部操作 server，一部历史 server，共同完成数据的采集和处理工作。其中工作 server 配置了SQLSERVER 2003 程序，作为数据存储媒介。该软件应用的版本为 Wonderware 的 Intouch 版本，还植入了Archestra 模块，二者进行配合，即可实现操作环境的统一化，可以继承若干个类型的数据来源信息。进而让其具备了运行报表、显示画面、发出报警信息等多方面的功能，成为了一个功能较为完备的操作终端。2.2.1上位机软件上位机软件工作的开展主要从两个角度展开，分别是数据采集和实时监管。2.2.1.1操作界面操作界面就是人机界面，工作人员可以通过鼠标、键盘和显示器等硬件来和设备进行人机交流，实现对监控系统的操作。人机界面中有图标按钮和菜单，直观而便于操作。除此之外监控系统也可以对数据进行监控，绘制动态曲线，以方便工作人员判断变化趋势。系统配置简体中文操作界面，可以实现表格和图形的绘制，一旦系统发生异常则可进行报警。Database 可以分类不同类型的报警信息，并将信息进行归档，方便工作人员按照类型和日期查询。2.2.1.2图形界面图形界面主要承担的是显示功能，如监控软件的整体面貌、报警信息、监控数据的实时显示等。所有的画面都可以经由动画的形式来展现控制系统状态。一般来说，画面的显示可以模拟实际系统的情况，从而和工作人员的操作习惯相符合。Database 主要具备实时记录、查询和故障管理等方面的功能，一旦发生问题，可以及时显示故障的位置，方便工作人员确定问题的原因和方位，之后做出正确的处置。2.2.2PLC控制软件设计用户可以将编写完毕的程序经过编程器上传到PLC 用户程序存储器当中，PLC 每次执行操作，就可以在跳转控制或无中断的情况下，结合存储地址号，按照大小顺序，依次扫描用户程序。PLC 程序的执行过程大致为：首先将输入信号的状态传达到影响寄存器当中再进行储存，跟单执行过程中，即便数据信息的输入状态发生变化，所寄存的信息数据依然可以完成传输。3应用效果分析带式运输机设计采用两台 160 kW电机直接顺序启动，由于启动性能较差，重载起车难度高，同时强力带式输送机运行速度不可调，为 2.5 m/s，因而对于强力胶带的磨损较为严重。由于电机功率较大，且为一次性启动，在全速运行的情况下，启动电流较大而提高了冲击力，给设备的正常运行和安全生产造成了影响。采用变频调速自动化技术改造之后，实际应用效果如下：3.1实现了软启动、软停止变频装置具有较好的软启动和软停止特性，启动和停车时间以及加减速均可自由调整，同时为了让启动更加平稳，还可以装设 S 型加减速算法，从而在最大程度上控制带式输送机启动和关停时形成的冲击力，这是其他驱动设备难以实现的功能。如果带式输送机的运煤量较小，变频系统及时调整电机的速度和功率，从而让设备实现平稳启停。3.2重载启动更加平稳由于带式输送机在运煤过程中可能会出现停车现象，所以需要对于设备的重载启动功能予以重视，变频装置应用了无速度传感器矢量控制，在低频运转的过程中，可以实现额定转矩 1.5 倍以上的输出，而在设备未运行时，由单独某一部带式输送机电机进行启动，经常由于启动力矩过小、电流过大，而导致胶带图 2系统软件架构示意图系统界面上位机通信模块PLC网络局域网数据库李酉杰：带式输送机变频调速自动控制系统的设计与应用201机械管理开发第 38 卷无法启动的现象，导致胶带压死。按照选煤厂统计数据来看，准备车间的带式输送机由于压死造成故障达到 10 次以上，停止生产时间超过 80 h，自从改造以来，压死胶带事故没有再出现，同时还实现了工频转换功能1-2。3.3节能效果显著经计算，改造以后实现了约 11%的电能节约，每年可节约标准煤 14 t 以上。以动力电 0.65 元/kWh 计算，每月可以节约电费 0.62 万元，每年节约电费 7 万元以上。4结语本文对于变频器在选煤厂带式输送机中的应用进行了研究，其优秀的调速能力、启动和制动性能都给企业的安全生产带来了保障，同时节约了大量运行成本，可以有效地让选煤厂实现安全高效生产，体现出显著经济效益。参考文献1杨晋华.变频调速技术在煤矿带式输送机中的应用及分析J.山东煤炭科技，2017（12）：33-35.2刘维刚.带式输送机变频调速机理与自动控制系统研究J.自动化应用，2020（7）：72-74.（编辑：贾娟）Design and Application of Frequency-Controlled Automatic Control System for a BeltConveyorLi Youjie（Shanxi Coking Coal Xishan Coal Power Malan Mine Coal Processing Plant,Taiyuan Shanxi 030053）Abstract:Aiming at the problem of wasting electric energy due to high motor power in the process of selecting the belt conveyor used inthe coal processing plant,we briefly introduce the commonly used energy-saving technologies and focus on the analysis of frequencyconversion speed control technology,and explore the design and application of automatic control system to improve the automation level andenhance the production efficiency of coal mines.Key words:belt conveyor;automatic control;frequency conversion speed control间动态性能研究J.机械工程学报，2019，55（9）：144-153.2刘波，李睿，付海.数控设备故障预测和健康管理的维修保障系统分析J.现代制造技术与装备，2017（12）：166；168.3夏平.数控设备液压气动机构故障树实例诊断及处理J.科学技术创新，2019（14）：161-162.4王子兵.基于径向基神经网络的数控加工自适应加工系统研