帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王中山

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司， 山西 太原 030036）

引言

帶式輸送機(jī)作為煤礦企業(yè)的主要運(yùn)輸設(shè)備，承擔(dān)著煤炭從工作面到地面的運(yùn)輸任務(wù)，而且隨著近些年來采煤技術(shù)及工藝的進(jìn)步，綜采設(shè)備自動化水平的提升，帶式輸送機(jī)朝著大運(yùn)量、長距離、大傾角以及多電機(jī)驅(qū)動的方向發(fā)展。為了確保帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力及能夠與工作面其他機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)能力相匹配的可靠性，要求其具有可靠性高、穩(wěn)定性好的電氣控制系統(tǒng)對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效的控制[1]。本文將對帶式輸送機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對其應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1 工程概況

本文以工作面年生產(chǎn)能力80 萬t 的礦井為例，礦井工作面采用的運(yùn)輸設(shè)備能力僅為59.4 萬t/年，加之運(yùn)輸系統(tǒng)還肩負(fù)著工作面排矸的任務(wù)。因此，針對工作面煤炭的運(yùn)輸能僅為45 萬t/年，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。因此，為全面提升綜采工作面的產(chǎn)煤量及產(chǎn)煤效率，需將工作面所有設(shè)備的生產(chǎn)能力相配套[2]。故，需對工作面運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造。

針對上述現(xiàn)狀，擬將現(xiàn)有的運(yùn)輸系統(tǒng)改造為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)。所安裝的帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 改造后帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

則，采用該帶式輸送機(jī)的年運(yùn)輸量計(jì)算如下：

式中：A為帶式輸送機(jī)的年運(yùn)輸能力，萬t/年；b為每年工作日，取330 d；t為帶式輸送機(jī)每天運(yùn)行時(shí)長，取16 h；B為帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力，350 t/h；k2為運(yùn)輸系數(shù)，取1.2。

經(jīng)核算，采用該帶式輸送機(jī)的純運(yùn)輸能力為154萬t/年，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。本文將以該型帶式輸送機(jī)為研究對象對其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求

帶式輸送機(jī)所應(yīng)用于的區(qū)域?yàn)榫C采工作面，綜采工作面的環(huán)境惡劣，粉塵、煤塵濃度較高。因此，鑒于此要求帶式輸送機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的可靠性較高。故，擬采用西門子公司的S7-300 系類的PLC 控制器為電氣控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的可靠控制[3]。帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)打滑、撕裂、跑偏等故障的監(jiān)測，還需對工作面煤塵、煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2）實(shí)現(xiàn)對電氣控制系統(tǒng)中變頻器故障的監(jiān)測，尤其對其過載、過熱、欠電壓、過電流的現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測，一旦出現(xiàn)故障及時(shí)發(fā)出報(bào)警，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性。

3）基于電氣控制系統(tǒng)的變頻器根據(jù)輸送帶的實(shí)時(shí)運(yùn)量對帶速進(jìn)行實(shí)時(shí)無級控制。

2.2 電氣控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC 的選型

鑒于綜采工作面的環(huán)境相對惡劣，為保證電氣控制系統(tǒng)的可靠性選用德國西門子公司S7-300 系列的PLC 及其主控裝置。S7-300 系列PLC 控制器的主要技術(shù)指標(biāo)為：CPU 型號為315-2PN/DP；本安供電壓為：直流24 V。根據(jù)現(xiàn)場傳感器、保護(hù)裝置以及與上位機(jī)通訊需求，PLC 控制柜的配置如下頁表2。

該電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場工作面帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制、就地、檢修、手動、慢動以及閉鎖等六種工作方式。

2.2.2 變頻的選型

變頻器作為帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對帶速無級控制的核心，鑒于其工作環(huán)節(jié)惡劣，且ACS800-04 型變頻器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煤礦、電廠以及煉鋼廠等領(lǐng)域，并獲得好評。因此，帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)中選用可靠性較高的ACS800-04 型變頻器對其帶速進(jìn)行無級控制[4]。此外，為ACS800-04型變頻器配置IGBT 智能驅(qū)動技術(shù)和ABB 快速制動技術(shù)，保證功能的實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2.3 電氣控制系統(tǒng)保護(hù)裝置的選型

本電氣控制系統(tǒng)選用KHP159 型保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，該保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機(jī)的跑偏、撕裂、超溫等故障的保護(hù)，其對應(yīng)的傳感器如表3 所示。

表2 PLC 控制柜配置

表3 KHP159 型保護(hù)裝置傳感器型號及功能

2.3 電氣控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的軟啟動控制和綜合保護(hù)和自檢功能。當(dāng)設(shè)備獲得啟動指令時(shí)，由電氣控制系統(tǒng)對綜合保護(hù)裝置、制動閘、主變頻器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，判斷設(shè)備是否滿足啟動的要求[5]。

本節(jié)著重對帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)綜合保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合KHP159 型保護(hù)裝置的功能要求并結(jié)合工作面現(xiàn)場的控制需求，設(shè)計(jì)如圖1 所示的綜合保護(hù)流程圖。

如圖1 所示，圖中V1 為帶式輸送機(jī)主傳動滾筒的實(shí)時(shí)速度，V2 為帶式輸送機(jī)輸送帶的實(shí)時(shí)速度，ε 為帶式輸送機(jī)帶速的偏差率。

3 帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

將所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用于改造后的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中，并對啟動、正常運(yùn)行、制動以及緊急停車等工況的應(yīng)用情況進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：

1）當(dāng)帶式輸送機(jī)具備啟動條件后，向變頻器發(fā)出啟動制動，其頻率由0 逐漸達(dá)到50 Hz，在空載狀態(tài)下輸送帶速度逐漸達(dá)到4.5 m/s；

2）當(dāng)設(shè)備啟動完成后，由于物料下放導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，但在變頻器及PLC 控制的基礎(chǔ)上，能夠保證輸送帶穩(wěn)定在4.5 m/s 的狀態(tài)下運(yùn)行。

3）當(dāng)變頻器接收到停機(jī)指令后，待輸送帶上的物料全部被卸載后，其電機(jī)頻率由50 Hz 逐步減小，并按照預(yù)先設(shè)定的減速曲線停機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)閘瓦抱閘。

4）當(dāng)系統(tǒng)檢測到設(shè)備出現(xiàn)跑偏、縱撕裂、超溫以及堆煤等故障時(shí)，變頻器得到停機(jī)指令，其電機(jī)頻率由50 Hz 逐步減小，并按照預(yù)先設(shè)定的減速曲線停機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)閘瓦抱閘。

圖1 電氣控制系統(tǒng)綜合保護(hù)軟件流程圖

4 結(jié)語

帶式輸送機(jī)作為當(dāng)前工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，與具有優(yōu)勢明顯的運(yùn)輸能力，即采用帶輸送機(jī)能夠明顯提升工作面的采煤效率。此外，電氣控制系統(tǒng)作為設(shè)備可靠運(yùn)行的保障之一，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)PLC 加變頻器的控制系統(tǒng)，在滿足日常運(yùn)輸任務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備跑偏、縱撕裂、堆煤等故障的保護(hù)，并對應(yīng)用后啟動、制動、正常運(yùn)行以及緊急停車工況的效果進(jìn)行驗(yàn)證，取得不錯(cuò)的效果。