煤礦井下皮帶運輸機變頻控制系統(tǒng)的研究與設計

王 禮

(同煤集團 宏大公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

皮帶運輸機作為煤礦中重要的大型煤炭運輸設備之一，擁有結(jié)構簡單易維護、裝載量大、運輸安全穩(wěn)定、可實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點。尤其在特殊的井下環(huán)境中，由于運輸線路長且傾角大、空間狹小、環(huán)境惡劣等問題，皮帶運輸機成為大型井下采煤系統(tǒng)中運輸設備的最佳選擇。皮帶運輸機作為煤礦中的主要設備之一，其與通風機、空壓機等設備的用電量占煤礦作業(yè)總用電量的80%左右，屬于高耗能設備[1]。傳統(tǒng)的皮帶運輸機控制系統(tǒng)采用單一的恒轉(zhuǎn)速開環(huán)控制模式，當煤流量較小或空載運行時，運輸機依然以恒定的高轉(zhuǎn)速運行，導致電能大量消耗，生產(chǎn)作業(yè)成本提高，效率大幅降低。據(jù)研究表明：目前國內(nèi)重點煤礦的皮帶運輸機平均效率不足60%，與國外先進水平相差15%左右。

目前許多企業(yè)雖然采用了變頻控制方式，但在皮帶運輸機的動態(tài)監(jiān)測分析和多電機驅(qū)動功率平衡方面的研究存在不足，控制精度和可靠性都較差，無法體現(xiàn)變頻控制的優(yōu)勢。本文設計了一種基于PLC和變頻器的皮帶運輸機變頻控制系統(tǒng)，利用PLC對運輸機系統(tǒng)進行控制，實時根據(jù)煤流量控制電機頻率；采用變頻器來實現(xiàn)運輸機的軟啟動，不僅可以實現(xiàn)運輸機的無級調(diào)速，還可實現(xiàn)智能運行[2]，從而降低能耗，對于提高井下運輸系統(tǒng)的自動化、智能化水平具有重要意義。

1 系統(tǒng)設計總體方案

1.1 系統(tǒng)架構

本文中的皮帶運輸機系統(tǒng)選用雙機驅(qū)動方式，與單機驅(qū)動相比，雙機驅(qū)動在電機功率要求和體型上更具優(yōu)勢，但需要解決電機啟動電流大、輸出功率不平衡、無法實現(xiàn)無極調(diào)速等問題，就需要研究出一套適合井下運行的皮帶運輸機雙機驅(qū)動系統(tǒng)。

本文設計的皮帶運輸機控制系統(tǒng)主要分為三部分：第一部分為運行監(jiān)測層，主要由電參數(shù)采集模塊、帶速傳感器、電機轉(zhuǎn)速傳感器、皮帶秤組成，電參數(shù)采集模塊用于采集電機的電流、電壓、功率參數(shù)等，帶速傳感器用于采集皮帶運行速度[3]，電機轉(zhuǎn)速傳感器用于采集電機轉(zhuǎn)速信號，皮帶秤用于采集運量信號；第二部分為PLC的控制層，該層為系統(tǒng)的核心部分，現(xiàn)場采集到的參數(shù)信號會上傳至PLC，PLC根據(jù)監(jiān)測信號進行分析判斷，完成對皮帶運輸機的啟動、變頻調(diào)速、功率平衡等相應操作；第三部分是由變頻器組成的控制執(zhí)行層，變頻器通過PLC發(fā)出的頻率控制信號輸出相應頻率的電壓至電動機[4]，實現(xiàn)對電機的啟動和變頻調(diào)速以及其他功能。系統(tǒng)總體結(jié)構框圖如圖1所示。

1.2 功率平衡控制策略

由于系統(tǒng)選用電機型號相同，供電條件相同，電機的功率因數(shù)可認為相同，故選用負載電流作為功率平衡的依據(jù)。

圖1 變頻控制系統(tǒng)總體結(jié)構圖

對于電機一臺發(fā)電一臺電動這種情況，需通過控

制器對比兩臺電流的絕對值。當發(fā)電電機的電流絕對值較大時，相當于電機被運輸機牽引轉(zhuǎn)動，故降低電動電機頻率使其進入發(fā)電狀態(tài)。相反，當電動電機電流絕對值較大時，電機牽引運輸機運動，此時需增大發(fā)電電機的頻率以使其工作于電動狀態(tài)。完成上述頻率調(diào)節(jié)過程使兩臺電機工作狀態(tài)相同后，再按照上述步驟進行功率平衡調(diào)節(jié)。

2 硬件電路設計方案

皮帶運輸機變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動主電路設計如圖2所示，來自井下配電分站的工頻三相電通過控制柜輸入端進入，經(jīng)輸入濾波器、輸入電抗器后進行整流逆變，輸出的兩路交流電經(jīng)過輸出電抗器、輸出濾波器后進入電機，電機通電轉(zhuǎn)動，進一步驅(qū)動皮帶運輸機運行[5]。

PLC控制器是本系統(tǒng)的核心硬件，本文選用西門子S7-300 可編程控制器， CPU選擇S7-226，該CPU具有24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出。模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊分別選用SM331和SM332，主要用于各類傳感器模擬信號的采集和模擬信號的輸出[6]。

圖2 變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動主電路圖

進線端設置的輸入電抗器用于抑制變頻器內(nèi)包含的諧波電流，從而減小對電網(wǎng)的影響[7]；同時，它可以改善變頻器的功率因數(shù)，提高用電效率；減小輸入端電能中的浪涌電流和浪涌電壓，避免對變頻器造成嚴重沖擊，同時當電壓不平衡時輸入電抗器還可降低這種現(xiàn)象對變頻器的影響。

變頻器在工作時會產(chǎn)生電磁干擾，影響控制器工作，還有可能造成保護設備誤動作。通過設置輸入濾波器可以有效抑制電磁干擾現(xiàn)象，避免設備發(fā)生誤動作，保證皮帶運輸機的正常運行。

系統(tǒng)在井下惡劣狹窄的環(huán)境工作，控制柜不應設置在位于現(xiàn)場的驅(qū)動電機附近，設置輸出電抗器的作用就是加長導線距離，同時還可以抑制由于變頻器開關動作所帶來的沖擊電壓對電纜以及電機的影響，保證電纜的絕緣強度和電機的安全運行。

輸出濾波器的作用是過濾輸出電流中含有的高次諧波，減小對電機的損害[8]，同時降低輸出端的損耗，提高電能的利用率，輸出端的浪涌現(xiàn)象也可以由輸出濾波器進行抑制，從而延長電機使用壽命。

3 軟件方案設計

CPU上電并初始化之后開始執(zhí)行系統(tǒng)主程序，遇到中斷則執(zhí)行完中斷程序后繼續(xù)返回主程序運行。系統(tǒng)主程序主要包含以下部分：運輸機啟動控制程序、運輸機停止控制程序、變頻調(diào)速程序和故障保護程序等。

變頻控制系統(tǒng)啟動程序執(zhí)行時，首先判斷啟動條件是否滿足，當外部電路允許啟動后，檢測皮帶、電機滾筒等驅(qū)動機構、變頻器等設備有無故障，確保無故障后開始進行啟動操作。啟動時主電路接觸器先閉合，延時5 s后進入變頻模式，在電機到達預定速度前還須保證電機啟動電流正常，到達預定速度后運輸機保持該速度運行，啟動過程結(jié)束。運輸機啟動程序流程如圖3所示。

按下停止按鈕后，PLC控制器發(fā)出停止信號，主電路接觸器斷開，短暫延時后停止變頻，運輸機停止程序流程如圖4所示。

系統(tǒng)運行過程中PLC將預定速度傳至變頻器，變頻器通過接收到的調(diào)速信號進行調(diào)節(jié)，當發(fā)生過流情況時立刻停止運行，否則運輸機到達預定速度后進入穩(wěn)定運行，調(diào)速控制程序流程如圖5所示。

圖3 運輸機啟動程序流程圖

4 結(jié)語

本文設計的煤礦井下皮帶運輸機變頻系統(tǒng)在實際測試中可對電機進行準確平穩(wěn)調(diào)速，實現(xiàn)了變頻運行，同時大大降低了能耗。經(jīng)檢測，電機啟動電流對供電系統(tǒng)沖擊減小，故障保護水平提高，系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、自動化程度都得到了提升，具有良好的經(jīng)濟效益和應用前景。

圖4 運輸機停止程序流程圖 圖5 運輸機調(diào)速控制流程圖