礦井皮帶運輸機變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

任世杰

（同煤集團臨汾宏大虎峰煤業(yè)，山西運城 043300）

0 引言

在大型煤礦運輸過程中，皮帶輸送機屬于重要的運輸設(shè)備，其具有結(jié)構(gòu)簡單、運輸安全、便于維護、自動控制等特點。特別對于井下工況環(huán)境特殊，如運輸線路比較長、空間相對狹小等，皮帶輸送機是井下采煤運輸?shù)淖罴堰x擇。皮帶輸送機在運輸過程中，需要消耗大量的電能，屬于高耗能裝置。對于傳統(tǒng)的皮帶輸送機而言，其控制形式比較單一，同時選用恒轉(zhuǎn)速開環(huán)控制形式。假如采煤量比較小時，這時運輸機依舊以高速度運行，加劇了電能的消耗，造成不必要的經(jīng)濟成本浪費。經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國煤礦皮帶機工作效率低于60%，與科技發(fā)達國家相比還存在一定的差距。當(dāng)前，采礦公司為了降低能耗，在皮帶輸送機上都設(shè)置了變頻控制驅(qū)動電機，但并未對皮帶輸送機的動態(tài)監(jiān)測與多驅(qū)動電機的功率進行合理分配，同時還存在變頻控制精確度不高等［1］?；诖?，本文設(shè)計了PLC控制的變頻皮帶輸送機控制系統(tǒng)，其可以借助PLC對運輸機的控制，進一步依據(jù)煤流量實現(xiàn)對電機頻率的實時控制。在對運輸機進行軟控制時可以選用變頻器，其具有實現(xiàn)運輸機的無機調(diào)速以及系統(tǒng)的智能控制兩個功能，進一步提升運輸系統(tǒng)的自動化與智能化水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在設(shè)計時，皮帶輸送機選用雙驅(qū)動的形式，其電機功率與體型方面占有絕對的優(yōu)勢，但在使用時需要采用較大功率的啟動電流，同時輸出功率不平衡，因此必須設(shè)計一個適合井下皮帶輸送機雙機驅(qū)動的系統(tǒng)［2］。

本文設(shè)計的皮帶輸送機包括以下3大部分。

（1）運行監(jiān)測層。運行監(jiān)測層包括電參數(shù)采集單元、帶速傳感器單元、皮帶秤單元、電機轉(zhuǎn)速傳感器。其中電參數(shù)采集單元主要可以采集電機參數(shù)，如電流、功率；帶速傳感器可以實現(xiàn)監(jiān)測皮帶運行速度；電機傳感器可以采集電機轉(zhuǎn)動的相關(guān)參數(shù)；皮帶秤可以采集運量數(shù)據(jù)。

（2）PLC控制層。其屬于控制核心層，收集各個環(huán)節(jié)的參數(shù)，同時完成參數(shù)的處理與分析，以及完成皮帶輸送機的啟動與變頻等操作。

（3）控制執(zhí)行層。通常變頻器可以借助PLC發(fā)出的頻率來控制信號的輸出頻率，同時將其傳輸給電動機，進而可以達到控制電機啟動與變頻等功能。圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架。

圖1 變頻控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 功率平衡控制策略

由于設(shè)備的電機型號相同，供電條件也相同，因此可以認為電機的功率因數(shù)也相同，進而使用負載電流作為功率平衡的條件［3］。

電機在運行過程中通?？梢詣澐譃槿缦?種：2臺電機都處于電動狀態(tài)；1臺工作于電動，而另1臺處于發(fā)電狀態(tài)；2臺均工作于發(fā)電狀態(tài)。假如2臺電機都處于電動的工作狀態(tài)下，那么將負載電流設(shè)為正；假如電機處于發(fā)電狀態(tài)，那么可以把負載電流設(shè)置為負。當(dāng)PLC接收到信號之后，對電流信號進行計算，進而得到電流的平均值，以IP為基準值，將Im與之比較，分別得到差值k1＝I1－IP，k2＝I2－IP，…，kn＝Im－IP。假如時，則該電機頻率不需要進行調(diào)節(jié)；假如時，則把該電機的頻率調(diào)下；假如時，則把該電機的頻率調(diào)大。

對于1臺發(fā)電、1臺電動的狀態(tài)時，可以使用控制器比較2個電機電流的絕對值。假如發(fā)電機的電流數(shù)值比較大時，那么等價于輸送機處于牽引的狀態(tài)，因此需要降低電動機的頻率。反之，電機牽引運輸機，這時可以通過增加發(fā)電機的頻率，進而可以使其處于電動狀態(tài)［4］。

2 硬件電路設(shè)計方案

圖2 所示為皮帶運輸機變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動主電路設(shè)計，該工頻分站三相電，主要借助控制柜的輸入端輸入信號，在此過程中需要借助濾波器、阻抗進行整流，而輸出的交流電需要借助電阻抗與濾波器進行處理，最終將其輸送給電機，當(dāng)電機運轉(zhuǎn)之后，可以實現(xiàn)皮帶機工作。

圖2 變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動主電路

在該系統(tǒng)中，PLC控制器核心硬件，型號為西門子S7－300，中央控制器型號選用CPU226，相應(yīng)的輸入輸出模擬量選用SM331、SM332，可以實現(xiàn)各個參數(shù)的輸入處理與輸出轉(zhuǎn)換。在進線端配置有輸入電抗器，可以有效地對諧波電流進行抑制，進而能夠有效地降低對電網(wǎng)的影響。與此同時，當(dāng)電壓處于不平衡狀態(tài)時，輸出阻抗器能夠有效地改變對變頻器的影響。

變頻器在工作過程中往往會產(chǎn)生電磁，從而對控制器產(chǎn)生一定干擾，同時可能引發(fā)保護設(shè)備的誤動。借助濾波器可以有效地起到抑制電磁干擾的作用，對設(shè)備誤動起到一定的抑制作用，提升設(shè)備的安全運行［5］。當(dāng)系統(tǒng)處于井下惡劣的工況條件下，控制柜不能設(shè)置在驅(qū)動機附近，可以設(shè)置輸出電阻器來增加導(dǎo)線，與此同時能夠較好地抑制變頻器開關(guān)動作帶來的沖擊電壓，從而可以極大地提高電纜的絕緣強度與安全運行情況。輸出濾波器可以有效地消除輸出電流中的高次諧波，從而能夠保護電機。與此同時，可以降低能耗以及提高電能的使用率。

3 軟件方案設(shè)計

當(dāng)CPU得電之后，能夠調(diào)用系統(tǒng)的主程序，假如遇到中斷，那么將會執(zhí)行中斷程序之后，反過來執(zhí)行主程序。通常系統(tǒng)的主程序包括運輸機啟動控制程序、運輸機停比控制程序、故障保護程序等。當(dāng)變頻系統(tǒng)啟動之后，對啟動條件進行判斷，假如外部電路滿足啟動條件，諸如電機滾筒、變頻器不存在任何故障，那么即可啟動程序。啟動時主電路首先閉合，經(jīng)過5 s的延時之后，進入變頻模式。假如電機達到設(shè)定的速度時，還應(yīng)保證電機保持正常的電流，這時系統(tǒng)啟動結(jié)束。圖3所示為運輸機啟動程序流程。

圖3 運輸機啟動程序流程

當(dāng)按下停止按鈕之后，PLC將會輸出停止按鈕，從而使得主電路器斷開，經(jīng)過短暫延時之后將會停止變頻。圖4所示為相應(yīng)的運輸機停止程序流程［6］。

圖4 運輸機停止程序流程

系統(tǒng)在工作時，可以把PLC設(shè)定的速度參數(shù)傳輸給變頻器，接著變頻器可以接收到調(diào)速信號，進而實現(xiàn)調(diào)節(jié)。假如出現(xiàn)過流現(xiàn)象，那么系統(tǒng)將會立即發(fā)出停止指令，反之運輸機達到設(shè)定的速度之后可以趨于穩(wěn)定地運行。圖5所示為相應(yīng)的調(diào)速控制程序流程。

圖5 運輸機調(diào)速控制流程

4 變頻控制的主要技術(shù)優(yōu)勢

變頻控制的主要技術(shù)優(yōu)勢如下。

（1）有效掌控皮帶運輸機的軟啟動過程。電機的緩慢啟動是通過變頻調(diào)速技術(shù)達成的。另外，變頻調(diào)速技術(shù)對于皮帶內(nèi)部的能量也可以實現(xiàn)很好地調(diào)控，起到保護機械和皮帶的作用。

（2）調(diào)節(jié)皮帶強度。變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)在一定時間內(nèi)啟動，然后對部分啟動時間加以增補，這樣就可以通過分擔(dān)的方式來減弱皮帶的強度，很大程度上降低了購買皮帶的成本和維護成本［7］。

（3）引入主從式低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，使得在多個電機共同作業(yè)的情況下，轉(zhuǎn)矩不平衡問題得到很好解決。

（4）可節(jié)能降耗。通過變頻器對皮帶輸送機運行過程中的速度大小加以調(diào)整，在皮帶運輸機的負重發(fā)生變化時，運行速度也會相應(yīng)發(fā)生改變，起到了節(jié)約能源消耗的效果［8］。

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的井下皮帶運輸機變頻系統(tǒng)經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，其具有平穩(wěn)性，不僅可以實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)，而且能夠極大地降低能量消耗。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，電機啟動電流之后，其對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊比較小，能夠極大地提高系統(tǒng)的性能、控制精度與穩(wěn)定性，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟性。