CN202729271U

CN202729271U - 一种皮带运输机自适应节能控制装置

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Publication number: CN202729271U
Application number: CN 201220238731
Authority: CN
Inventors: 杜明芳; 方建军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2022-05-25

Abstract

本实用新型涉及一种皮带运输机自适应节能控制装置，包括控制器模块、变频器模块、电动机、皮带机、物料流量测量模块，其中，所述皮带机与外部的物料输送系统相连接，用于传送物料；所述物料流量测量模块用于测量皮带机传送物料的实时物料流量值，并将测量所得的实时物料流量值输入至控制器模块；所述控制器模块根据获取电机转速的给定信号值与电机转速的反馈信号值之间的差值以及物料流量给定值与实时物料流量值之间的差值对所述变频器模块的输出频率进行控制；所述电动机根据所述变频器模块的输出频率动态改变电机转速。本实用新型利用变频调速技术和网络化智能控制技术实现根据物料重量自适应调节皮带运输机驱动电动机转速，以达到节能目的。

Description

一种皮带运输机自适应节能控制装置

技术领域

本实用新型涉及运输业领域，具体涉及一种利用变频调速技术和网络化智能控制技术实现根据物料重量自适应调节皮带运输机驱动电动机转速节能控制装置。

背景技术

电动机用电量平均占世界各国总用电量的60％以上，我国电动机的装备容量超过5.8亿kW，占全国总消耗电能的60％～70％，但95％以上的电动机没有采用变频调速，国内电动机效率普遍比发达国家的电动机效率平均低3～5个百分点，而电动机传送系统的效率比发达国家低20％。

《中华人民共和国节约能源法》由第十届全国人民代表大会常务委员会于2007年10月28日修订通过，自2008年4月1日起施行，实施把节约放在首位的能源发展战略。近年来，国家还先后出台了《关于加强节能工作的规定》、《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》、《中小型三相异步电动机能效标识实施规则》，旨在进一步推进节能国策并将节能工作落到实处。长期以来，煤炭、水泥、钢铁、造纸等行业大量使用各种类型的皮带运输机，是电动机能耗大户，因此被国家相关法规确定为电动机节能改造系统工程的重点领域。当前的皮带运输机驱动电动机长期工频运行，加之液力耦合器效率等问题，造成皮带运输机实际运行效率并不高。皮带运输机启动后电动机恒速运行，由于是恒转矩负载，负载功率正比于转速，因此无论物料多少、甚至空载时皮带机都输出相同的功率，能源浪费严重。各皮带运输机独立运行，手动控制，无法联网，也无法远程监控和管理，出现故障不能及时察觉，只能事后现场维修。各皮带机独立驱动，不能根据各皮带机所运物料的多少自动协同，多段皮带之间没有协同控制。在使用多段皮带运输的应用场所，这种互不联系的传送方式会造成较大的能源浪费。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种皮带运输机自适应节能控制装置，利用变频调速技术和网络化智能控制技术实现根据物料重量自适应调节皮带运输机驱动电动机转速，以达到节能目的。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种皮带运输机自适应节能控制装置，包括控制器模块101、变频器模块102、电动机103、皮带机104、物料流量测量模块105，其中，

所述皮带机104与外部的物料输送系统106相连接，用于传送物料；所述物料流量测量模块105用于测量皮带机104传送物料的实时物料流量值，并将测量所得的实时物料流量值输入至控制器模块101；所述控制器模块101获取物料流量给定值、电机转速的给定信号值、电机转速的反馈信号值、以及物料流量测量模块105输入的实时物料流量值，并根据电机转速的给定信号值与电动机转速的反馈信号值之间的差值以及物料流量给定值与实时物料流量值之间的差值对所述变频器模块102的输出频率进行控制；所述电动机103根据所述变频器模块102的输出频率动态改变电机转速。

进一步，所述控制器模块101采用PLC实现。

进一步，所述变频器模块102采用具有能量回馈单元的防爆型变频器实现。

采用本实用新型技术方案的有益效果是：(1)节能效果显著，变频调节响应极快，基本与工况变化同步，避免了“大马拉小车”现象；(2)保护电动机和电网，由于高压变频器卓越的软启动/停止功能(可以零转速启动)，大大降低了启动冲击电流对电动机和电网的冲击，有效减小了电机故障，从而大大延长了电机的检修周期和使用寿命，同时还有效避免了冲击负荷对电网的不利影响；(3)提高电网功率因数，由于高压变频器输入功率因数在95％以上，不仅无需功率补偿，还可提高电网的功率因数，减少了无功损失；(4)减少检修费用，由于高压变频器特有的平滑调节电机负载的转速，从而大大减少了负载以及电机的机械磨损，同时降低了轴承、轴瓦的温度，有效减少了检修费用，延长了设备的使用寿命；(5)增强系统安全性和可靠性，使用变频调节，可实现参数的实时恒定运行，提高了系统运行的安全稳定性。由于本实用新型采用自动控制，因此进一步提高了设备运行控制和系统运行管理的自动化水平，从而真正实现自动调节，大大增强了运行的安全可靠性。

附图说明

图1为本实用新型实施例中节能控制装置基于PLC的电动机转速自适应调节控制回路图；

图2为本实用新型实施例中节能控制装置基于变频器的电动机转速自适应调节控制回路图；

图3为本实用新型实施例中皮带机群中任一皮带机的模糊Petri网模型图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种皮带运输机自适应节能控制装置，如图1所示，所述节能控制装置包括控制器模块101、变频器模块102、电动机103、皮带机104、物料流量测量模块105，其中，

在上述实施例中，所述控制器模块101采用PLC实现；所述变频器模块102采用具有能量回馈单元的防爆型变频器实现。

图2为本实用新型节能控制装置基于变频器的电动机转速自适应调节控制回路图，如图2所示，在本实施例中，通过变频器模块102的PID控制电动机的无级调速，而物料流量控制由控制器模块PLC 101实现。物料流量给定值和电动机速度给定值间存在一定关系。该实施方式中，将电机转速的给定信号和反馈信号都加入到变频器模块102的输入端，在变频器模块102内部完成PID调节，改变输出频率。物料流量给定值与当前皮带所运物料的实时检测值的差值输入到控制器模块PLC 101，PLC调用其内部的PI D算法完成输出量计算，通过PLC再控制变频器模块102，变频器模块102将逆变后得到的频率任意可调的三相交流电输送给电动机，使电动机103的转速根据电流频率动态改变，其关系如下式：

n_{M} = \frac{60 f}{p} (1 - s),

其中，n_M表示转子的转速(r/min)；f表示电流频率；s表示转差率。从而最终实现电机转速按负载大小动态调整。

为了进一步说明本实用新型，以下详细描述本实用新型的原理：

皮带运输机属于恒转矩负载，阻转矩TL的大小由下式计算：TL＝Fr，其中，F表示皮带与滚筒间的摩擦阻力；r表示滚筒的半径；F和r都与皮带机转速nL无关，故TL保持不变，具有恒转矩的特点。这是相对于转速nL而言的。

例如在井下输煤系统中，输煤量是随机变化的，当传送带上煤量较大时，无论转速多大，负载转矩都较大；而当传送带上煤量较小时，无论转速多大，负载转矩都较小。

恒转矩负载的功率由下式计算：

P_{L} = \frac{T_{L} N_{L}}{9550};

采用变频调速后节省的功率由下式计算：

P_{1} - P_{2} = \frac{T_{1} n_{1} - T_{2} n_{2}}{9550} = \frac{T (n_{1} - n_{2})}{9550};

节电率由下式计算：

k_{1} = \frac{P_{1} - P_{2}}{P_{1}} = \frac{n_{1 -} n_{2}}{n_{1}};

节省的功率与系统调速前后的速差成正比，速差越大，节能效果越显著。根据皮带上当前运输物料量多少的变化动态调节皮带驱动电动机的转速以达到节电的目的是本智能控制系统设计的核心所在。

本实用新型的改进点在于采用变频调速和远程智能群控相结合的技术对原皮带运输机进行智能化改造，包括：

(1)从系统决策层解决多皮带机共存于同一工作任务下接序运输时的优化协同控制问题。由决策中心根据当前每条皮带的负载情况综合评估、计算出每条皮带的驱动电机的最佳运行转速，最大化减少等待和空载时间，提高皮带运输机群的总体传输效率。

(2)对于单个皮带运输机，对其负载进行实时检测，并将检测值回送给控制器，作为控制器控制变频器进而控制电动机转速的重要依据，实现皮带驱动电动机的转速自适应调节，即“负载大时提高转速，负载小时降低转速，空载时保持在某一恒定低速”。

(3)在变频器的设计应用方面：

(a)变频器在电动机带载启动、空载起动或停机时都能够输出直流制动转矩，以保证皮带机平稳启动、停止，减小机械冲击。高压变频器能够实现对多台电机的同轴同步软启动，软停止功能。起动、停止能按所设定的皮带特性曲线运行。在运行过程中能够自动地实现转差调节和功率平衡调节。例如：在运输距离较长、提升高度较大的场合，皮带运输机一般采用双电机驱动，此时同轴的两台电动机需实现转矩平衡。在变频改造中采用同轴的两台电动机的两套逆变单元公用直流母线、统一控制指令、共用一套整流单元和回馈单元。彻底解决扭振、共振等问题；

(b)变频器的输出力矩不小于电动机额定力矩的200％，可使电机能输出200％的起动输出转矩，具备负载变化大的承受能力和物料压带时的再起动能力；

(c)配备专用的协调控制器(可由一台PLC从站实现)，实现多台变频器的转矩和功率平衡，计算并决策投入运行的变频器台数；

(d)选用带能量回馈单元的防爆型变频器，克服通用变频器在皮带运输机控制系统中能量不能回馈的问题；

(e)利用变频器的PID控制功能实现无极调速，提高控制系统的稳定性，更加节能；

(f)当变频器出现故障时，应利用原有电气柜作为工频旁路应急运行，启动时调整液力耦合器效率为零，电动机空载起动，启动后适当调整液力耦合器效率；

(g)同轴两台电机采用共直流系统，调速系统分开，单台电机单独控制。

经上述改造后达到以下效果：

1.1、使用变频器实现皮带系统的软启动；

1.2、驱动电动机的转速根据负载量自适应调整；

1.3、实现皮带机多电机驱动时的功率平衡；

1.4、实现多皮带机间的协同优化控制，使系统总效率最高；

1.5、降低设备的维护量，方便皮带检修；

1.6、节电量可量化计量，节电效果显著。

在本实施例中，该智能控制系统采用PLC作为控制器，采用嵌入式PC(带触摸屏)作为上位机，上位机采用嵌入版组态软件编程，以主从方式通过Profibus DP总线完成系统连接。中控室PLC设为主站，通过主从通讯处理器光纤接口，使用光纤连接PLC从站。0PLC从站和变频器都安装在防爆壳体内，并在皮带运输机附近集中安装，采用安全隔离模块隔离处理变频器和物料重量检测模拟量信号。PLC控制系统完成对变频器的起、停控制，实现各电机等速启动和协同控制，更重要的是根据皮带机负载量实时调节电机转速达到节能目的。

中控室中的上位监控计算机对皮带机群进行实时监控和集中管理，并可使用组态软件的历史数据记录功能记录历史数据和报警数据。通过ProfibusDP网络将皮带机自动控制系统与整个厂区的DCS系统相连接，也可以通过安装以太网转换网关和整个厂区的工业以太网连接。

单个皮带运输机电机转速按负荷动态调节的过程借助PID控制算法实现。PID控制算法的实现可通过PLC控制器，也可通过变频器实现。

多皮带机节能群控系统中，各皮带机是并行运行的，相互间靠物料流建立联系，但每条皮带在运输物料时又具有随机性和独立性，以追求协同优化控制进而节约能源为目的的系统级建模工作至今尚未有人做过。该模型应该是一个能够描述多皮带机节能群控过程的动态工作网络，能够反映网络中各驱动电机被控制的本质逻辑关系。模糊Petri网在六元组描述的基础上增加了变迁结点的启动阈值的概念，这一点非常适合描述皮带机变频节能控制时电机所保持的底速。另外，模糊Petri网还提供了“权系数”和“规则的确信度”这两个具有一定灵活度的知识表示方法，这也非常适合于以节能为约束条件的多皮带机系统描述。因此选择模糊Petri网作为多皮带机节能群空系统的描述工具，如图3所示，在运输距离较长、提升高度较大的场合，一个皮带运输机一般采用双电机驱动；在运输距离较短、提升高度较小时一般采用单电机驱动即可。另外，在采用多皮带机运输物料的系统中，有些场合下各段皮带对应的物料仓中需要运输的物料量大小是随机的，如井下的输煤系统；而有些场合下物料量是人为给定的，可计量也可控制，如焦化厂的自动配煤系统。这两种情况实际上是有本质区别的，在采用Petri网建模时可采用“变迁结点的启动阈值”、“权系数”及“规则的确信度”取值不同加以约束和区分。

定义位置元素、变迁元素的符号表示，如下表1所示：

权系数的取值范围为[0，1]区间上的任意数；规则确信度离散化为10个等级，值域为：{0，0.1，0.2，...，1}；变迁的启动阈值依实际情况选取，为正实数。

以下结合图3通过具体的典型情况进行说明：

1、变频器发生故障时皮带机工频启动；皮带机正常运行(P₁₂)情况下，假如变频器发生故障(T₇)，则应进入准备工频启动(P₄)状态，此时若又满足首皮带机启动完毕(T₁₂)条件，则进入工频启动(P₂)状态，对皮带机进行工频启动。相应的模糊逻辑规则表达式为：

P₄＝P₁₂×T₇×1×1；

P₂＝P₄×T₁₂×1；

2、负荷增大时皮带机提速；皮带机正常提速的逻辑表达式为：P₅＝P₁₂×T₃×1×β₂×τ(t)；其中：

β₃的取值不仅考虑当前皮带机的提速要求，还要综合考虑前后皮带机的运转情况及物料流的流动均衡度。如果前后皮带机运行速度都较慢且物料流通到此还需要较长时间，则β₃的取值可适当小一些，即提速幅度小些；反之，可大幅提速。如何正确决策出所有皮带机的规则确信度是设计中的难点，也是智能性和节能程度的关键体现处，这需要综合分析物料重量、电机转速等大量数据实时计算得出。

3、空载时皮带机维持底速运行；皮带机维持底速运行的逻辑表达式为：

P₇＝P₁₂×T₂×1×1；

表示皮带机空载时，无论其他条件如何，皮带机都将立即降至一个非常慢的所谓“底速”并一直运行在此速度上，直到负荷增加执行提速命令。这也是节能的一个重要举措。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种皮带运输机自适应节能控制装置，其特征在于，包括控制器模块(101)、变频器模块(102)、电动机(103)、皮带机(104)、物料流量测量模块(105)，其中，

所述皮带机(104)与外部的物料输送系统(106)相连接，用于传送物料；所述物料流量测量模块(105)用于测量皮带机(104)传送物料的实时物料流量值，并将测量所得的实时物料流量值输入至控制器模块(101)；所述控制器模块(101)获取物料流量给定值、电机转速的给定信号值、电机转速的反馈信号值、以及物料流量测量模块(105)输入的实时物料流量值，并根据电机转速的给定信号值与电动机转速的反馈信号值之间的差值以及物料流量给定值与实时物料流量值之间的差值对所述变频器模块(102)的输出频率进行控制；所述电动机(103)根据所述变频器模块(102)的输出频率动态改变电机转速。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器模块(101)采用PLC实现。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变频器模块(102)采用具有能量回馈单元的防爆型变频器实现。