田广柱
神东煤炭集团补连塔煤矿综采三队，内蒙古 鄂尔多斯 017200
摘要：设备作为煤矿的重要运输设备，目前正在向着长距离、大容量、快速度的方向发展，其良好的稳定性和可靠性在煤矿运营过程中发挥了非常重要的作用。设备在煤炭运输过程中存在很大的不均衡性，不能保证煤量时时相同，而不同运输煤量下电动机的效率是不相同的；同时，目前大部分运输机的运输速度是恒定值，即便是在轻载或者空载情况下，运输机也将始终以额定功率进行运输，在这种情况下，电动机做功效率低，致使大量电能被白白损耗，增加了企业的生产成本。设备的电能消耗在煤矿运营成本中一直占有较高的比重，因此，对设备进行节能改造。
关键词：设备变频调速节能自动化应用价值
针对目前设备存在效率低、能耗大、无法自动调速的问题，提出一种基于PLC的设备变频调速节能自动控制系统，并给出系统的整体方案：其硬件设计包括控制器、电子皮带秤、带速传感器、料位计、变频调速单元，软件设计主要是PLC控制程序的设计与开发。目前该变频调速系统已被应用到矿井设备上，大大节省了能耗，提高了自动化水平。为降低煤矿机电设备在实际应用中的能耗,实现煤矿的节能生产,以变频调速原理为基础,实现对煤矿机电设备的变频调速控制,研究了以模糊控制算法、行程控制理念以及组态网络控制为基础的变频节能技术在煤矿机电设备的应用案例和变频节能技术在生产中的应用效果,为变频节能技术在综采工作面的推广提供参考。
1变频调速节能控制系统整体方案设计
整个系统由地面调度中心、井下PLC控制器、变频调速单元、电子皮带秤、带速传感器、料位计、设备、CAN总线通信电路等组成。其中，地面调度中心包括上位机、数据库服务器，负责对运输机的带速、煤量等信息进行实时在线显示，同时具备数据存储、报表打印、超限报警提示等功能；PLC主控制器承担承上启下的功能，负责接收来自检测单元的数据信息，一方面进行智能分析处理，将其上传给地面调度中心，另一方面根据处理结果输出控制频率来控制变频调速单元调节速度、设备启停等；检测单元由带速传感器、电子皮带秤、料位计组成，负责对运输机的带速、煤量信息进行监测，传输给PLC控制器，检测信息皆为模拟量信号，需要进行转换才能送入PLC模块；变频调速单元是执行设备，PLC控制器按照预先设定的控制策略输出控制频率，变频调速单元负责接收来自PLC控制器的频率控制信号，输出对应的电压驱动电动机运转，从而实现带式输送机的各种调速功能。
2变频调速节能技术具体原理分析
煤矿生产环境恶劣、情况复杂,工作量较大,需要使用大量机械设备辅助作业,要求开采技术水平不断提升。但是相较于发达国家,我国煤矿井下机电设备还有所不足,在保证设备安全稳定运行的同时,还要考虑到设备节能效果。尤其是当前绿色环保背景下,节能减排在各行业达成统一共识,煤矿企业作为能源型企业首当其冲,应用变频节能技术,推动煤矿机电设备优化创新是必然选择。文章就变频节能技术在煤矿机电设备中应用展开分析,在了解变频节能技术原理和要点基础上,促使此项技术应用在煤矿机电设备中,实现煤矿节能生产。变频调速节能控制系统主要是通过检测单元对带速、运输煤量进行检测，经反馈对比输出合适的控制信号控制变频调速单元，由变频调速单元驱动运输机电机来实现调速节能。我国的额定工频为50Hz，那么通过PLC控制器控制变频调速单元可为运输机电机提供工作频率在0~50Hz范围内变化的电源，电机转速可在此范围内自由调节，具备很宽的调速范围。
3硬件设备选型分析
PLC在设备变频调速节能控制系统中实现频率控制、时序控制、逻辑控制和顺序控制等功能。本文采用西门子公司的S7-300系列PLC作为变频调速系统的核心控制器，变频调速单元与PLC控制器之间通过PROFIBUS总线方式来进行数据传输。
控制系统包括CPU模块315-2DP、电源模块PS307、通讯模块CP343-1。由于检测单元皆为模拟量信号，故采用模拟量输入模块SM331。
电子皮带秤主要负责对运输煤量进行检测，将其安装在带式输送机上距离机头500m处。本文采用ICS-XB型井下电子皮带秤计量系统，该检测系统计量精度高、功能强大、污染小，符合煤矿对设备性能的要求。当煤炭从秤体通过时，煤炭的重量会通过皮带与称重托辊作用于称重传感器，最终将检测出的重量信号通过PLC控制器上传给地面上位机，重量信号皆为瞬时煤量值。带速传感器负责测量皮带的运输速度，用于实现速度信息反馈，为速度调节提供支持，同时实现低速打滑、超速等保护功能。将其安装在下侧皮带与其紧密接触。
带速传感器选用HQ-SD40JW型速度传感器。料位计负责测量煤仓内原煤的储量，通过非接触方式对煤仓中原煤高度变化进行实时连续检测，系统采用NIVELCO一体式超声波料位计。变频调速单元作为执行输出设备，考虑到安全性、经济性及可靠性，系统选德国ABB公司ACS800变频器作为驱动变频调速单元，具体型号为ACS800-07，为高-高结构，实际参数为额定电流160A，可承载负载为2800kW以内。变频器采用直接转矩控制方式（DTC），并通过主从控制方式来驱动设备，采用一拖一的配置方式，由两台变频器同步驱动，主从变频器之间通过光纤通信方式进行控制信号传输，PLC控制器传来的控制信号只需作用在主变频器即可，主变频器通过光缆将从变频器的控制信号传送过来。而变频器带有PROFIBUS/MODBUS485通讯接口，用于与PLC控制器实现双向数据传输，变频器将自身功率因数、输出频率、输出电压等参数传输给至PLC，PLC将频率控制信号传输给主变频器。
4PLC控制程序设计
随着国家智能化技术水平的大力提升,越来越多的智能化控制技术被应用到了煤矿设备中,其中,提高设备的作业效率及安全,降低其设备运行费用,成为当前企业关注的重点方向。当前,设备在运行过程中,经常因无法有效对风机的转速进行调节控制,也无法对设备的运行状态及相关参数进行实时监测,造成了大量的电能浪费,严重影响着设备的运行安全。将当前成熟的变频技术应用到设备的节能及监控运行中,显得十分必要。为此,在分析设备结构特点基础上,充分利用变频调速的技术优势,开展了基于PLC的设备变频调速节能监控系统设计研究,通过对该监控系统进行实际应用,验证了该监控系统的可靠性,这对后期开展设备监控系统的提升研究提供了重要参考。采用编程工具STEP7对PLC控制器进行程序开发，编程方式为梯形图方式。为提高程序执行效率，简化开发过程，采用模块化设计思路，由主程序来调用子程序进行控制。PLC控制程序由主程序、软启动控制子程序、带速测量子程序、煤量测量子程序、变频调速子程序、功率平衡子程序、紧急停车子程序、故障预警子程序、故障保护子程序等组成。其中软启动控制子程序、变频调速子程序、功率平衡子程序、紧急停车子程序等是针对变频器开发的。图2所示为控制系统的主程序流程框图。
5效果分析与总结
经过改造后，该变频调速节能控制系统已经应用到本部矿井的设备上，取得了很好的节能效果。改造之前，设备一直以恒定速度进行工作，故每时每刻消耗的功率都是一样的，皆为额定功率。经统计，改造前年消耗电量约为3428000kW·h，改造后，运输机带速由实时运量来给定，年消耗电量约为1945600kW·h，经计算，采用变频调速控制系统后，年用电量比改造前降低了约1482400kW·h，节能效率达到了约43.2%，效果十分明显。
参考文献
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