TSD480 型帶式輸送機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)的研究

趙 吉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)野川煤礦， 山西 晉城 048000）

引言

帶式輸送機(jī)在煤礦開(kāi)采中是重要的物料運(yùn)輸設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好而被廣泛使用。同時(shí)由于帶式輸送機(jī)任務(wù)繁重，對(duì)電能的消耗較大，因此帶式輸送機(jī)節(jié)能技術(shù)是目前重要的研究領(lǐng)域。帶式輸送機(jī)的節(jié)能技術(shù)主要可以概括為兩個(gè)方向，一方面是引進(jìn)更加高效、新穎的結(jié)構(gòu)與技術(shù)，提高設(shè)備效率，另一方面則是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制入手，根據(jù)輸送機(jī)實(shí)際輸送需求控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率[1]。

尤其是長(zhǎng)距離、大舉高的帶式輸送機(jī)，其對(duì)電能的消耗更高，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的控制具有重要意義。智能控制系統(tǒng)即可以根據(jù)帶式輸送機(jī)上輸送量的大小通過(guò)變頻器來(lái)控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，控制系統(tǒng)既可以提高輸送機(jī)的利用效率，節(jié)約了電能，也可增加設(shè)備的使用壽命?；诳删幊炭刂萍夹g(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及PLC 控制器，設(shè)計(jì)了一套智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)節(jié)能控制的目的。

1 TSD480 型帶式輸送機(jī)

TSD480 型帶式輸送機(jī)是一種大運(yùn)量、輸送距離長(zhǎng)的輸送機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、皮帶、輸送機(jī)托輥、傳動(dòng)滾筒、機(jī)架、皮帶張緊裝置以及皮帶清理裝置。輸送機(jī)主要依靠皮帶與滾筒之間的摩擦力進(jìn)行連續(xù)運(yùn)輸物體，動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，托輥為重要的支撐旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

該型帶式輸送機(jī)運(yùn)量達(dá)3 000 t/h，運(yùn)輸長(zhǎng)度1 958 m，垂直提升高度為208 m；接市電并配有UPS供電系統(tǒng)；工作溫度室內(nèi)-15～45.5 ℃；驅(qū)動(dòng)方式采用頭部三部變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，功率配比為2:1；帶式輸送機(jī)冷卻系統(tǒng)包括風(fēng)冷、水冷卻方式。帶式輸送機(jī)制動(dòng)器為液壓卡盤(pán)式制動(dòng)器，自帶電控系統(tǒng)，與智能控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)保障設(shè)備在正常停車情況下可實(shí)現(xiàn)軟制動(dòng)，并且在設(shè)備突然停電時(shí)，可自動(dòng)鎖緊輸送機(jī)滾筒[2]。

2 輸送機(jī)運(yùn)行阻力與功耗分析

要構(gòu)建帶式輸送機(jī)工作阻力與其負(fù)載之間的關(guān)系，首先需要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及受力進(jìn)行分析。TSD480 型帶式輸送機(jī)工作結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖1，該型輸送機(jī)有兩個(gè)滾筒、三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置。帶式輸送機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，認(rèn)為皮帶處于勻速運(yùn)行，皮帶上重物沿下的分力與皮帶的總工作阻力相平衡，根據(jù)總工作阻力、皮帶的運(yùn)行速度即可計(jì)算得到帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的軸端輸入功率，從而獲得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率。

根據(jù)帶式輸送機(jī)所受力的情況，可以確定總工作阻力又可以分為主要阻力、附加阻力以及斜阻力等，下面對(duì)輸送機(jī)所受力做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

皮帶在工作狀態(tài)中的所有主要阻力主要由兩部分組成，其一是壓陷阻力，其二是托輥?zhàn)枇?。壓陷阻力主要是皮帶上重物?duì)皮帶施加的正壓力，使得皮帶與托輥之間的接觸面產(chǎn)生較大的摩擦阻力，該值的大小主要取決于皮帶上的重物。托輥運(yùn)行阻力主要是當(dāng)皮帶上的載荷增加時(shí)，托輥軸承所受的徑向載荷較大，從而使托輥運(yùn)行的阻力加大，托輥的運(yùn)行阻力與托輥的轉(zhuǎn)速以及皮帶上重物質(zhì)量密切相關(guān)[3]。

3 智能調(diào)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)圖

該帶式輸送機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)電氣硬件設(shè)備主要包括PLC 控制器、變頻器、高壓開(kāi)關(guān)柜、低壓電源柜、輸送機(jī)保護(hù)裝置等，下面對(duì)主要的硬件設(shè)備做簡(jiǎn)要介紹與說(shuō)明。

3.1 系統(tǒng)主要硬件選型

1）高壓開(kāi)關(guān)柜。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，選擇了富杰牌KMNA35-16 型開(kāi)關(guān)式高壓開(kāi)關(guān)柜，該開(kāi)關(guān)柜設(shè)置了主動(dòng)斷電保護(hù)、電流過(guò)載保護(hù)以及失壓保護(hù)。同時(shí)具有負(fù)載分、合隔離開(kāi)關(guān)，具有防止靜電功能，具有防短路功能，具有防電擊的功能。

2）PLC 控制器。選擇了美國(guó)羅克韋爾公司生產(chǎn)的Continent500 系列可編程控制器，控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)功率的控制，采用模塊化、可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，雙處理器設(shè)計(jì)，并可根據(jù)需要選擇處理器運(yùn)行個(gè)數(shù)。

3）控制計(jì)算機(jī)。采用聯(lián)想Think pad 的XD16 型筆記本電腦，CPU 酷睿八核1.66 G，系統(tǒng)軟件Windows10 系統(tǒng)，該電腦配置有UPS 蓄電池，可保障在斷電5 h 內(nèi)正常工作。

4）輸送機(jī)保護(hù)裝置。輸送機(jī)保護(hù)裝置選擇了杭州華宇的KSTC20 保護(hù)裝置（見(jiàn)圖2），類似遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，可根據(jù)帶式輸送機(jī)各個(gè)位置上傳感器的信息進(jìn)行分析判斷，起到提前預(yù)警故障的作用，對(duì)帶式輸送機(jī)具有較好的保護(hù)功能[4]。

圖2 KSTC20 保護(hù)裝置

3.2 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了先進(jìn)的矢量控制變頻技術(shù)，相較于其他設(shè)備具有較好的可靠性與穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的抗過(guò)載能力，可適用于煤礦開(kāi)采等環(huán)境。其最大的特征是實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的緩啟動(dòng)與停止，有效避免設(shè)備突然啟動(dòng)或突然停車時(shí)帶來(lái)的沖擊，防止輸送帶上物料灑落，也可避免皮帶張力的波動(dòng)對(duì)設(shè)備造成的影響。

帶式輸送機(jī)由三臺(tái)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)配置有一套變頻器，變頻器控制原理圖如圖3 所示，變頻器參數(shù)為2 500 kVA，其主要工作目的是保障三臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率同步，同時(shí)保障帶式輸送機(jī)要具有慢停慢啟動(dòng)的能力[5]。

4 智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3 帶式輸送機(jī)智能控制原理

軟件是控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)其功能的載體，對(duì)于保障控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性具有重要意義。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需滿足幾大原則：1）功能齊全、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理；2）層次分明、操作簡(jiǎn)單、易上手；3）易維護(hù)、方便檢測(cè)。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，以及需實(shí)現(xiàn)的控制功能，控制系統(tǒng)主要包括PLC、電流/電壓互感器、變頻器、傳感器等。

系統(tǒng)中可編程控制器選擇了羅克韋爾公司Continent 系列專用的編程軟件，該編程軟件應(yīng)用范圍較廣，兼容性好。不僅可以用于可編程控制器的編程，還可用于主機(jī)簡(jiǎn)單控制軟件的編程，控制系統(tǒng)所有對(duì)外信息的交互均可經(jīng)過(guò)編程軟件的組態(tài)和編程實(shí)現(xiàn)[6]。

5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及節(jié)能分析結(jié)果

在帶式輸送機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)并搭建完成后，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)子硬件設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)測(cè)試，以檢驗(yàn)各子系統(tǒng)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，最后對(duì)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試需做的準(zhǔn)備包括分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理圖、電氣系統(tǒng)走線圖等；做好電氣接線準(zhǔn)備，確保各個(gè)設(shè)備正常工作；確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)均正常后方可進(jìn)行下一步操作，調(diào)試設(shè)備。

由于帶式輸送機(jī)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備眾多，為了保障安全以及設(shè)備的檢修與維護(hù)，因此制定了系統(tǒng)的測(cè)試方案，其流程如下頁(yè)圖4 所示。先分別對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，然后再進(jìn)行聯(lián)條聯(lián)試，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)單機(jī)性能的的測(cè)試，逐一排查各個(gè)設(shè)備，分手動(dòng)就地啟動(dòng)和遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)兩種方式對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行驗(yàn)證。

各設(shè)備調(diào)試成功后，表明所有設(shè)備處于正常狀態(tài)，之后對(duì)系統(tǒng)的PLC 控制程序進(jìn)行調(diào)試，對(duì)PLC控制程序的測(cè)試主要是為了監(jiān)測(cè)智能控制系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，測(cè)試其各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，如輸送機(jī)在啟動(dòng)或停車時(shí)帶速緩降功能、根據(jù)輸送機(jī)運(yùn)輸量自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速功能。在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)結(jié)合輸送機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況，檢查各系統(tǒng)功能，對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題迅速進(jìn)行解決，測(cè)試結(jié)果顯示輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 系統(tǒng)硬件調(diào)試流程圖