胶带运输机变频调速节能控制系统的优化

晋煜杰

(霍州煤电集团 三交河煤矿 ， 山西 洪洞 041600)

随着我国经济技术的发展，煤炭需求量逐年增加，对煤炭采掘设备工作的节能要求也越来越高，引起了煤炭行业的广泛关注。胶带输送机作为煤炭井下采掘工作正常开展的重要运输设备，承担着将井下煤炭输送至地面储存站点的任务[1]。众所周知，煤矿井下只要开展采煤工作，胶带输送机就要进入工作状态，确保煤炭能够准时输送，是工作时间最长的设备[2]。目前使用的胶带运输机采用的是恒速运转，运行过程中经常出现低载高速甚至空载高速的问题，导致胶带运输机工作效率低下，电能的大量消耗，不符合煤炭绿色采掘的要求[3-6]。因此开展胶带运输机变频调速节能控制系统的优化设计研究，对于提高胶带运输机的工作效率、实现节能降耗具有重要的意义。

1 优化策略分析

胶带运输机启动会产生较大的冲击电流，高达5～7倍的额定电流不仅造成电能的浪费，还存在烧毁电机的风险。与此同时，电机的启动会使胶带张力剧增，出现胶带打滑、降低胶带寿命甚至断带事故。软启动作为电机的一种启动方式，能够降低电机启动时的冲击程度。随着胶带机功率需求的增大，单电机启动功率较大，电机维护极为困难，多电机驱动模式可以实现大功率胶带机的正常运行，但是多电机驱动功率不平衡问题难以避免。目前使用的胶带输送机运行模式落后、效率低下，优化时可以采用增减电机数目或者调整运转速度来实现，考虑改进的难易程度，优先选用调速控制方式。变频调速不仅能够实现软启动功能，实现多电机驱动功率的平衡，还能精准控制电机的运行情况，实现胶带输送机的节能优化控制。

2 变频调速节能控制系统设计

2.1 总体方案设计

变频调速节能控制系统为的是实现胶带输送机运行速度的实时控制，其中涉及信号的检测、数据的处理分析、电机速度的控制等，达到胶带输送机节能运行的目的。胶带输送机系统通常是由多级胶带机组成，基于此设计以DSP为控制中心，采集电机电流信号，结合负载及转速传感器数据，使电机按最佳转速运行。具体结构见图1。

图1 变频调速节能控制系统

2.2 硬件设计

2.2.1 DSP选型

系统要求具有较快的运算速度，传统的单片机和PLC不能满足实时控制需求，因此选择DSP控制器，型号为TMS320F2812。该控制器使用的是静态CMOS技术，主频高达150 MHz，配备性能很好的32位CPU，具有很好的数据处理能力和实时控制性能。DSP控制器主要负责电机速度优化计算和控制指令的生成。胶带输送机运行时，DSP接收传感器信号数据，经分析处理得出电机的最优运行速度，发出控制信号至变频器，调节电机的工作电压和频率，实现胶带输送机运行速度的调整。

2.2.2 变频器

变频器需配置在胶带输送机电机位置，服役条件极为苛刻，要求其具有较好的防爆性能，选择型号为BPJI-47/660的矿用防爆安全型交流变频器。胶带输送机运行时，结合工业实时电价和煤仓储量，适时调节电机转速。电价较高时，由DSP发出调节信号经变频器降低胶带机运行速度，减少煤炭运输量；电价较低时，由DSP发出调节信号经变频器提高胶带机运行速度，增加煤炭运输量。

2.2.3 胶带秤

胶带输送机的运载载荷由胶带秤实时监测获得，其可靠性要求较高，结合其工作环境的复杂性，选择了防爆型核子称。该称的具体参数如下：适应于输送物料的宽度为200～2 000 mm；输送速度为0～5 m/s；平均无故障工作时间不小于1 500 h；允许的水分变化值为±10%；主机的温度范围为0～50 ℃；主机的湿度范围为10%～90%；主机功率为250 W；电源要求为50 Hz，220 VAC。

2.2.4 煤仓料位计

煤仓的煤炭存储量作为胶带输送机优化控制过程中不可忽视的重要因素，若胶带输送机的输送量较大将会出现超出煤仓上限的情况，导致煤炭溢仓，若胶带输送机的输送量较小，将会影响煤炭输送的连续性，因此需要借助煤仓料位计实时监测煤仓的储煤量。市面上料位计的种类较多，结合使用环境和具体要求，确定选择超声波料位计，具体参数如下：发射角度为50°；过程温度为-30～70 ℃；STD300的环境温度为-30～60 ℃；SBD-300的环境温度为-25～60 ℃；分辨率为10 mm；模拟量输出信号为4～20 mA电流；采用型号为SPDT的继电器；电气的防护等级为I级。

2.2.5 转速传感器

胶带输送机控制前提是了解胶带输送机的实时运行情况，其中极为关键的是胶带机的运行转速，因此需要对其进行监测，获取转速的实时数据。系统设计过程中选择磁阻式转速传感器进行胶带输送机转速的监测，工作原理是法拉第电磁感应原理，能够将传感器采集得到的机械转速变量转变为脉冲电量。胶带输送机初始转动时，输送带依靠摩擦将会驱动靠轮旋转运动，带动传感器的铁芯转动，使传感器内部磁路的磁阻出现波动，产生感应电动势，输出正弦波信号，经过信号放大处理之后即可将靠轮的实时转速转化为胶带输送机的实时运行速度。

2.2.6 智能显示及人机对话装置

智能显示及人机对话装置作为胶带输送机控制系统的人机交互窗口，是显示和控制胶带输送机运转状态的基础，设计过程中选择的具体部件参数如下：机箱的型号为IPC-810B；电源的型号为PS-7270(ATX)；底板的型号为IPC-6113LP4；系统的内存为1 G；CPU的型号为E5200；硬盘的存储量为250 G。

2.3 软件设计

2.3.1 主程序

胶带运输机变频调速节能控制系统主要包括胶带输送机的软启动、多电机功率平衡控制以及变频调速节能控制等模块。胶带秤检测胶带输送机运行过程中的物料数据，将其传输至系统的DSP控制中心，结合传感器检测得到胶带机运行参数，确定胶带输送机的最优运转速度，之后由DSP发出胶带输送机驱动电机运行速度信号，经变频器完成驱动电机的速度调节，实现电机的节能控制。控制系统的主程序控制流程如图2所示。

图2 主程序控制流程

2.3.2 变频调速程序

变频调速程序的主要作用是接收DSP发出的调速控制信号，调整驱动电机的转动频率调节电机转速，保证胶带输送机工作状态最优，满足胶带输送机工作节能降耗的要求，达到胶带输送机运行过程中高电价低运转，低电价高运转的目的。具体流程如图3所示。

2.3.3 紧急情况处理程序

胶带输送机运行时，如果煤仓储量超出上限值就会出现溢仓情况，相反如果煤仓储量低于下限就会出现空仓情况，不利于胶带输送机的连续可靠运行。紧急情况处理程序为的是避免上述情况出现，具体流程如图4所示。

图3 变频调速控制流程

图4 紧急情况处理控制流程

2.3.4 软启动控制程序

胶带输送机启动时为了降低其对胶带的冲击作用，设计了软启动控制程序，控制信号由DSP发出，采用设定好的速度斜坡曲线，借助变频器实现胶带输送机启动时的速度调整。具体的控制流程如图5所示。

图5 软启动控制流程

2.3.5 功率平衡控制程序

为了解决多驱动电机运行功率不平衡的问题，实现各个电机正常运行，系统中设计了功率平衡控制程序，以此保证胶带输送机稳定可靠的工作。具体控制流程如图6所示。

图6 功率平衡控制流程

3 应用效果评价

为了验证胶带运输机变频调速节能控制系统优化设计的结果，将其应用于三交河煤矿井下胶带输送机试运行，进行了为期半年的跟踪记录。应用结果表明，系统工作稳定可靠，能够实现胶带输送机电机的平稳启动、功率恒定、节能降耗的目的。据相关专业人士估计，该系统的投入使用，输送机胶带的寿命延长近20%，电机故障率降低近30%，胶带输送机的工作效率提升近15%，电能消耗降低约8%，为企业产生直接经济效益近150万/a，取得了很好的应用效果。