论文部分内容阅读
摘要：皮带机是煤炭生产中最主要的运输设备。文章结合PLC皮带机变频调速智能控制系统构成及特点分析，探讨PLC皮带机变频调速的实现方法，并进行经济效益分析，为改进煤炭运输设备提供技术上的参阅资料。
关键词：PLC皮带机 变频调速 实现方法
1 概述
在煤炭行业，皮带机已经成为主要的生产运输设备。由于煤矿开采的不均衡性，使皮带机的运量不能保持稳定，导致皮带机长期不能满载运行，皮带机配置的电动机一般均有20%～45%的富余量，导致电动机效率长期处于50%以下，经常处于“大马拉小车”的工作状态。皮带机长期空载、轻载运行，造成相当一部分电能的耗费。虽然很多矿井皮带机选用了变频调速装置，但只是起到了软启软停的作用，皮带机运煤的整个过程都是以固定速度运行，不能根据煤量大小调节皮带机运行速度，使变频器的主要功能失去作用，浪费了变频器的设备投资，没有真正实现皮带机变频调速运行的目的。针对这种情况，可设计PLC皮带机变频调速智能控制系统，在变频调速运行模式下实现皮带机的效率最大化。
2 PLC皮带机变频调速智能控制系统的组成
2.1 矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置：将变频调速技术和电气防爆技术结合起来，用于有爆炸危险场所的电机调速节能的高科技产品。该产品具有多种控制和保护功能，可应用于煤矿井下等爆炸危险场所。该变频装置以全新的设计线路，将变频技术、隔爆及本质安全技术等结合起来。主回路采用交—直—交电压型IGBT变换器；采用32位数字信号处理器DSP实现空间矢量PWM控制；采用嵌入式控制软件V3.0版控制IGBT的驱动和保护。
2.2 矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱：矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱由PLC控制器、A/D转换器、电量变换器、智能节电程序等组成。本装置将智能控制与PLC相结合，利用PLC实现智能控制，既保留了PLC的可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度。电量变换器主要元件是霍尔传感器，通过霍尔传感器检测外部负载电流的变化，及时反馈给变频器。
2.3 主控台：主控台主要包括显示仪表、指示灯、矿用本安液晶显示器（触摸屏）、音响设备等可对皮带机的运行状态、故障状态、故障可能原因、过程变量进行显示和报警。同时生成速度图、力图、趋势图以及运行历史记录。主控台上的操作手柄、转换开关、按钮等，可对皮带机进行各种操作和控制。
3 PLC皮带机变频调速实现方法
PLC皮带机变频调速的实现就是通过皮带机运煤量大小的情况来调节皮带机的带速，方法是变频器与D/A转换器相连，A/D转换器分别与PLC、D/A转换器以及电量变换器相连，PLC控制器的控制输出端与变频器相连。由矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱中的电量变换器将皮带机运行过程中电机的电流、电压、功率因数、力矩等信号实时采集到PLC，经可编程控制器PLC的PID运算，计算出皮带机在运行过程中的负载量，判断皮带的实时运行情况。通过程序计算由PLC输出0～5V或4～20mA信号控制变频器，实时跟踪调节电压和频率，变频器根据负载变化输出相应的功率，达到皮带机随负载动态调节运行速度和力矩的功能。采用PLC变频调速智能控制系统后，皮带机的运行速度不仅可以随煤量大小来调节，而且还可以根据皮带机运行情况分为三个运行区间。第一，高负载区：皮带机上煤量达到额定煤量时，皮带机满负荷运行，这时系统控制变频器输出使电机以额定转速运行；第二，中负载区：当皮带机上煤量减少时，系统控制变频器输出使电机以中速运行；第三，低负载区：当皮带机上煤量很少或无煤时，系统控制变频器输出为零，使电机处于低速爬行甚至为休眠等待状态。
4 PLC变频调速智能控制系统的特点
4.1 高效节能：实现了皮带机的全过程变频运行和速度的闭环控制，运煤速度大小可随着煤量变化自由调节。负载电流下降率可达40%，节能效果显著。
4.2 减少维护量，延长皮带机使用寿命：由于节能模式运行时的速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了皮带机的使用寿命，减少了皮带机的维护量和维修费用。
4.3 实现软起动：真正实现了皮带软起动，通过电机的慢速启动，带动皮带机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使启动过程的张力波极小，几乎不对皮带及机械部件造成损害。
4.4 平稳的重载启动：完全解决了重载停机时起动困难的现象，变频器采用无速度传感器矢量控制方式，启动力矩大，低频运转可输出1.5-2倍的额定转矩，因此最适于重载起动，不会出现皮带打滑现象。
4.5 对电网无冲击：起动时电流小，为额定电流的1.5倍以下，完全避免了对电网的冲击。
4.6 提高功率因数、提高系统效率：大大提高了系统的功率因数和系统效率。整个皮带机运行过程中：功率因数≥0.95，效率≥96%。
4.7 安全可靠：采用了高性能的变频器及可编程控制器，皮带机长期运行在节能模式下，使整个系统的运行更安全更可靠。
5 经济效益分析
使用PLC变频调速智能控制系统成功实现了矿用皮带机的全过程变频运行速度的控制，皮带机的运行速度可随着煤量变化而自由调节，从而达到节能降耗的目的，其节电率可达到25%～50%，经济效益和社会效益显著。
参考文献：
[1]韩寅生.井下皮带机变频调速的应用[J].江西煤炭科技，2006（01）.
[2]程国栋，左东升，吴玮，赵文翰.煤矿皮带机变频调速系统的实现[J].变频器世界，2011（09）.
[3]肖峥，林涛.基于模糊控制的皮带机变频调速系统设计及实现[J].电气传动，2008（09）.
关键词：PLC皮带机 变频调速 实现方法
1 概述
在煤炭行业，皮带机已经成为主要的生产运输设备。由于煤矿开采的不均衡性，使皮带机的运量不能保持稳定，导致皮带机长期不能满载运行，皮带机配置的电动机一般均有20%～45%的富余量，导致电动机效率长期处于50%以下，经常处于“大马拉小车”的工作状态。皮带机长期空载、轻载运行，造成相当一部分电能的耗费。虽然很多矿井皮带机选用了变频调速装置，但只是起到了软启软停的作用，皮带机运煤的整个过程都是以固定速度运行，不能根据煤量大小调节皮带机运行速度，使变频器的主要功能失去作用，浪费了变频器的设备投资，没有真正实现皮带机变频调速运行的目的。针对这种情况，可设计PLC皮带机变频调速智能控制系统，在变频调速运行模式下实现皮带机的效率最大化。
2 PLC皮带机变频调速智能控制系统的组成
2.1 矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置：将变频调速技术和电气防爆技术结合起来，用于有爆炸危险场所的电机调速节能的高科技产品。该产品具有多种控制和保护功能，可应用于煤矿井下等爆炸危险场所。该变频装置以全新的设计线路，将变频技术、隔爆及本质安全技术等结合起来。主回路采用交—直—交电压型IGBT变换器；采用32位数字信号处理器DSP实现空间矢量PWM控制；采用嵌入式控制软件V3.0版控制IGBT的驱动和保护。
2.2 矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱：矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱由PLC控制器、A/D转换器、电量变换器、智能节电程序等组成。本装置将智能控制与PLC相结合，利用PLC实现智能控制，既保留了PLC的可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度。电量变换器主要元件是霍尔传感器，通过霍尔传感器检测外部负载电流的变化，及时反馈给变频器。
2.3 主控台：主控台主要包括显示仪表、指示灯、矿用本安液晶显示器（触摸屏）、音响设备等可对皮带机的运行状态、故障状态、故障可能原因、过程变量进行显示和报警。同时生成速度图、力图、趋势图以及运行历史记录。主控台上的操作手柄、转换开关、按钮等，可对皮带机进行各种操作和控制。
3 PLC皮带机变频调速实现方法
PLC皮带机变频调速的实现就是通过皮带机运煤量大小的情况来调节皮带机的带速，方法是变频器与D/A转换器相连，A/D转换器分别与PLC、D/A转换器以及电量变换器相连，PLC控制器的控制输出端与变频器相连。由矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱中的电量变换器将皮带机运行过程中电机的电流、电压、功率因数、力矩等信号实时采集到PLC，经可编程控制器PLC的PID运算，计算出皮带机在运行过程中的负载量，判断皮带的实时运行情况。通过程序计算由PLC输出0～5V或4～20mA信号控制变频器，实时跟踪调节电压和频率，变频器根据负载变化输出相应的功率，达到皮带机随负载动态调节运行速度和力矩的功能。采用PLC变频调速智能控制系统后，皮带机的运行速度不仅可以随煤量大小来调节，而且还可以根据皮带机运行情况分为三个运行区间。第一，高负载区：皮带机上煤量达到额定煤量时，皮带机满负荷运行，这时系统控制变频器输出使电机以额定转速运行；第二，中负载区：当皮带机上煤量减少时，系统控制变频器输出使电机以中速运行；第三，低负载区：当皮带机上煤量很少或无煤时，系统控制变频器输出为零，使电机处于低速爬行甚至为休眠等待状态。
4 PLC变频调速智能控制系统的特点
4.1 高效节能：实现了皮带机的全过程变频运行和速度的闭环控制，运煤速度大小可随着煤量变化自由调节。负载电流下降率可达40%，节能效果显著。
4.2 减少维护量，延长皮带机使用寿命：由于节能模式运行时的速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了皮带机的使用寿命，减少了皮带机的维护量和维修费用。
4.3 实现软起动：真正实现了皮带软起动，通过电机的慢速启动，带动皮带机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使启动过程的张力波极小，几乎不对皮带及机械部件造成损害。
4.4 平稳的重载启动：完全解决了重载停机时起动困难的现象，变频器采用无速度传感器矢量控制方式，启动力矩大，低频运转可输出1.5-2倍的额定转矩，因此最适于重载起动，不会出现皮带打滑现象。
4.5 对电网无冲击：起动时电流小，为额定电流的1.5倍以下，完全避免了对电网的冲击。
4.6 提高功率因数、提高系统效率：大大提高了系统的功率因数和系统效率。整个皮带机运行过程中：功率因数≥0.95，效率≥96%。
4.7 安全可靠：采用了高性能的变频器及可编程控制器，皮带机长期运行在节能模式下，使整个系统的运行更安全更可靠。
5 经济效益分析
使用PLC变频调速智能控制系统成功实现了矿用皮带机的全过程变频运行速度的控制，皮带机的运行速度可随着煤量变化而自由调节，从而达到节能降耗的目的，其节电率可达到25%～50%，经济效益和社会效益显著。
参考文献：
[1]韩寅生.井下皮带机变频调速的应用[J].江西煤炭科技，2006（01）.
[2]程国栋，左东升，吴玮，赵文翰.煤矿皮带机变频调速系统的实现[J].变频器世界，2011（09）.
[3]肖峥，林涛.基于模糊控制的皮带机变频调速系统设计及实现[J].电气传动，2008（09）.