基于变频调速的皮带机节能控制技术研究
王明会
（西山煤电（集团）有限公司屯兰选煤厂，山西 太原 030200）
皮带机是一种依靠驱动电机和输送带进行物料运输的设备，具有传输效率高、经济性好、结构简单的优点，是煤矿上物料运输的核心装备。特别是随着皮带机系统不断朝着高带速、大运量、长距离发展，皮带机系统的运行稳定性对煤矿物料运输效率和经济性的影响越发突出。受井下综采作业效率的影响，皮带机上的煤炭分布经常会出现变化，在不同的时间其负载状态不同，但皮带机均以最高速运转，不仅能耗高而且会加剧皮带机系统的磨损，降低其使用寿命。
结合带式皮带机的物料运输需求及节能降本的发展趋势，本文提出了一种新的基于变频调速的皮带机节能控制技术，以视频监控和变频控制为核心，通过建立煤量-带速最佳匹配模型，将煤量作为调整依据，通过变频系统对输送带的运行带速进行灵活调整。根据实际应用表明，新的控制系统能够将皮带机运行平均带速降低23.4%，将运行能耗降低11.6%，对提升皮带机系统的运行经济性和可靠性具有十分重要的意义。
结合皮带机节能运行控制需求，本文所提出的皮带机节能运行控制系统采用了模块化的结构设计方案，包括上位机系统，井下数据控制中心及变频控制系统三个部分[1]。上位机用于显示皮带机的运行状态及调整情况，井下数据控制中心用于对监测系统监测到的负载情况、运行带速进行监测，对负载-带速匹配情况进行分析，确定是否对皮带机的运行状态进行调整。变频控制系统主要是接收数据控制中心的调整信号，然后输出变频控制信号，对皮带机运行的带速进行灵活调整。该皮带机节能控制系统整体结构如图1 所示。
图1 皮带机节能控制系统结构示意图
井下数据控制中心的核心为PLC 控制器，通过CAN 数据网络和上位机相连通，利用PROFIBUS 数据通信结构[2]和变频控制系统相连接，保证整个皮带机节能控制系统数据通信的可靠性和稳定性。
在系统运行的过程中，控制中心接收到视频传感器、带速传感器等监测设备传输的监测信息，快速完成对皮带机运行状态、煤量、带速等数据的对比分析，对皮带机的运行情况进行自动判断，将调整信号传输到变频控制中心，实现对皮带机系统煤量-带速的匹配运行调节，提高皮带机系统的运行经济性。
在皮带机控制系统中，PLC 控制器的运行稳定性直接决定了系统的调节精度和可靠性，在进行结构选型时，选择了西门子的6ES71 型变频控制装置，其具有多模块通信接口，能够根据不同的控制需求进行拓展，满足不同情况下的控制需求。不同的功能由对应的处理模块进行数据分析处理，数据处理速度快、稳定性高。该系统的硬件控制结构如图2 所示[3]。
图2 变频调速控制系统硬件结构示意图
由上页图2 可知，在该系统中上位机对PLC 控制器发出调节控制指令，然后PLC 控制器进行数据分析后通过控制变频器来对皮带机的运行情况进行控制。同时系统将速度传感器、视频重量监测信息、各项保护传感器所监测到的数据进行分析，对皮带机的运行状态进行实时监测，提高皮带机系统的控制灵活性。
该皮带机节能控制的核心是根据煤量的情况灵活调整皮带机的运行带速，因此对煤流量监测的准确性直接决定了该系统的使用可靠性，传统的依靠电子秤进行称重的方案[4]，受落料冲击和皮带机运行影响大，精确性和时效性不足，难以满足动态监测需求，因此本文提出了一种基于视频监测的煤量测量系统，其测量模式如图3 所示[5]。
图3 基于视频监测的煤量测量系统
在该视频监控系统内，其视频采集单元主要是利用高清数字摄像仪从煤矿井下获取高清的视频图像，然后采用模式识别方案对视频图像进行分割和处理，获取单位时间内皮带机上的数据信息。为了保证对落料监测的准确性，系统根据瞬时煤量、输送带的长度及落料点位置，对输送带上煤量的分布进行修正，提高数据分析的可靠性，使监测数据最大化的表示皮带机上煤炭分布的实际情况。根据实际应用，该视频监测系统的监测结果和输送带上的实际煤量分布偏差约为1.2%，满足对皮带机带速调整的监测需求。
传统的皮带机驱动系统只能以定转速的形式运行，因此在该系统中采用了永磁同步电机[6]作为皮带机系统的驱动电机，其能够直接输出相应的幅值、频率，减少了传统控制模式中的液力耦合器、减速器等，提高了驱动系统的控制灵活性和稳定性，皮带机变频驱动控制结构如图4 所示[7]。
由图4 可知，该控制系统采用了变频器直接驱动电机的控制模式，有效的降低了驱动系统的复杂程度，减少了故障发生的概率。
图4 皮带机变频驱动控制结构示意图
目前该基于变频调速的皮带机节能控制系统已经在多个煤矿投入应用，根据对优化前后的情况进行对比，优化后皮带机的平均运行带速由4.7 m/s 降低到了目前的3.6 m/s，带速降低了23.4%。在运行过程中的能耗比优化前平均降低了11.6%，显著提升了皮带机系统的运行经济性和可靠性。
针对皮带机在运行过程中能耗高、磨损大、寿命低的不足，提出了一种基于变频调速的皮带机节能控制技术，以视频监控和变频控制为核心，通过建立煤量-带速最佳匹配模型，实现了对输送机系统运行带速的智能调整，根据实际应用表明：
1）皮带机节能运行控制系统采用了模块化的结构设计方案，包括上位机系统，井下数据控制中心及变频控制系统三个部分；
2）视频监测系统的监测结果和输送带上的实际煤量分布偏差约为1.2%，满足对皮带机带速调整的监测需求；
3）以永磁同步电机作为皮带机系统的驱动电机，减少了传统控制模式中的液力偶合器、减速器，提高了驱动系统的控制灵活性和稳定性；
4）新的控制系统能够将皮带机运行平均带速降低23.4%，将运行能耗降低11.6%，对提升皮带机系统的运行经济性和可靠性具有十分重要的意义。
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