王俊峰

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 高平 048400）

引言

礦用帶式輸送機(jī)作為煤炭采掘工作過程中極為重要的輸送設(shè)備，是煤炭企業(yè)正常生產(chǎn)作業(yè)的重要保障[1]?？刂葡到y(tǒng)作為礦用帶式輸送機(jī)重要組成部分，其控制技術(shù)的先進(jìn)性直接關(guān)系著帶式輸送機(jī)的工作效率，必須引起高度重視[2]。當(dāng)前服役的礦用帶式輸送機(jī)多采用的是恒轉(zhuǎn)速控制，運(yùn)行過程存在皮帶轉(zhuǎn)速與運(yùn)煤量不匹配問題，啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在明顯的抖動(dòng)情況，制約了礦用帶式輸送機(jī)效率的進(jìn)一步提升[3-5]。為了解決上述礦用帶式輸送機(jī)存在的問題，以某煤礦在用礦用帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，開展自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，引入礦用帶式輸送機(jī)速度自動(dòng)控制功能，對(duì)提高礦用帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性、保證礦用帶式輸送機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行具有重要意義[6]。

1 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過程主要考慮了運(yùn)行穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，同時(shí)兼顧了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾性，以便達(dá)到提高帶式輸送機(jī)效率的目的。如圖1 所示給出了帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)，采用了PLC 作為控制系統(tǒng)的核心單元。

2 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型

可編程邏輯控制器（PLC）作為帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，此處選擇的PLC 為西門子生產(chǎn)的S7-300。該P(yáng)LC 具有較強(qiáng)的邏輯分析計(jì)算能力，同時(shí)具有很好的功能模塊擴(kuò)展性，可擴(kuò)展出32 個(gè)模塊，很好地滿足帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的控制功能要求。如圖2所示，給出了帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中PLC 與各硬件之間的連接關(guān)系。

圖1 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 PLC 與各硬件之間的連接關(guān)系

2.2 高壓變頻器選型

變頻器作為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制的執(zhí)行元件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采用了西門子生產(chǎn)的高壓變頻器，以便保證其質(zhì)量合格和性能可靠。所選高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的抗干擾性能，可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離的控制；引入了無速度傳感器矢量控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種啟動(dòng)控制模式下的扭矩精準(zhǔn)控制；電壓適應(yīng)性強(qiáng)，即便電壓降低至55%，變頻器也能正常工作；變頻的效率很高，大于98.5%，變頻因數(shù)大于0.95；絕緣性能高達(dá)H 級(jí)，防護(hù)等級(jí)優(yōu)于P20。變頻器質(zhì)量出眾，費(fèi)用較低，能夠滿足帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)要求。

2.3 傳感器配置

傳感器配置基于帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集要求及KTC101 系統(tǒng)完成，以便實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中速度等的監(jiān)測(cè)調(diào)整功能。

2.3.1 速度檢測(cè)傳感器

速度檢測(cè)傳感器能夠完成輸送機(jī)運(yùn)行過程中皮帶轉(zhuǎn)速的監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)得到皮帶轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的55%～70%之間，持續(xù)時(shí)間大于15 s，系統(tǒng)分析判斷皮帶出現(xiàn)了打滑情況，會(huì)發(fā)出打滑報(bào)警信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)得到皮帶的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的110%，系統(tǒng)分析判斷皮帶出現(xiàn)了過載情況，會(huì)發(fā)出過載報(bào)警信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)得到皮帶的轉(zhuǎn)速瞬間降低至額定轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，系統(tǒng)分析判斷皮帶出現(xiàn)了斷帶情況，會(huì)發(fā)出斷帶報(bào)警信號(hào)并及時(shí)停止輸送機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，避免出現(xiàn)事故。

2.3.2 煤位傳感器

煤位傳感器能夠檢測(cè)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸運(yùn)行過程中煤炭的位置，判斷煤炭是否出現(xiàn)脫離既定位置，煤位傳感器安裝于煤倉上端。當(dāng)煤位傳感器檢測(cè)得到煤炭脫位，持續(xù)時(shí)間大于10 s，系統(tǒng)將會(huì)判斷得出煤炭脫位，會(huì)發(fā)出帶式輸送機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)，確保其及時(shí)停機(jī)。

2.3.3 皮帶跑偏開關(guān)

皮帶跑偏作為帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中普遍存在的問題，必須進(jìn)行有效的控制才能確保其可靠工作。帶式輸送帶運(yùn)行時(shí)動(dòng)作桿能夠觸發(fā)傳感器，主控制器接收傳感器的跑偏信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出跑偏報(bào)警；當(dāng)皮帶運(yùn)行過程出現(xiàn)嚴(yán)重跑偏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出輸送機(jī)停機(jī)指令，避免出現(xiàn)更大的事故。皮帶跑偏開關(guān)安裝在機(jī)頭位置，兩側(cè)各安裝一個(gè)。

3 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 啟動(dòng)控制程序

帶式輸送機(jī)啟動(dòng)之前控制系統(tǒng)需要檢測(cè)多種備妥信號(hào)，確定輸送機(jī)是否滿足啟動(dòng)條件。當(dāng)系統(tǒng)確定輸送機(jī)滿足啟動(dòng)條件時(shí)，就會(huì)發(fā)出啟動(dòng)預(yù)警信號(hào)，松開抱閘，帶式輸送機(jī)就會(huì)按照既定的啟動(dòng)曲線進(jìn)行加速，直至達(dá)到帶式輸送機(jī)額定轉(zhuǎn)速為止。如圖3 給出了帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)流程圖。

3.2 變頻器矢量控制程序

圖3 帶式輸送機(jī)啟車控制流程

圖4 變頻器矢量控制流程

變頻器矢量控制功能的實(shí)現(xiàn)依托于無速度傳感器完成，達(dá)到輸送機(jī)軟啟動(dòng)的目的。為了實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)負(fù)荷波動(dòng)的有效控制，系統(tǒng)的矢量控制設(shè)計(jì)為主從協(xié)調(diào)控制模式，如圖4 所示。主從協(xié)調(diào)調(diào)控能夠?qū)Χㄗ与妷菏噶窟M(jìn)行很好的調(diào)控，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩的工作效率。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，主變頻器進(jìn)行輸送機(jī)矢量的控制，將設(shè)置好的轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳輸至變頻器得到統(tǒng)一的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，之后傳輸至輸送機(jī)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。與此同時(shí)，主變頻器的另一個(gè)任務(wù)是控制和調(diào)整帶式輸送機(jī)的皮帶轉(zhuǎn)速，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)皮帶輸送機(jī)的負(fù)載。主變頻器正常工作時(shí)從變頻器備用，一旦輸送機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，從變頻器立刻接管主變頻器的功能，避免輸送機(jī)速度異常導(dǎo)致事故。

3.3 速度調(diào)節(jié)控制程序

為了提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)煤效率，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)控制程序，以便實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)在最佳的轉(zhuǎn)速工作，節(jié)約能源和成本。系統(tǒng)能夠根據(jù)輸送機(jī)上的煤炭運(yùn)載量實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行速度，達(dá)到低載快速、高載慢速、高電費(fèi)低轉(zhuǎn)速、低電費(fèi)高度等控制目的。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集得到皮帶實(shí)際的運(yùn)行速度和煤炭載荷，分析計(jì)算得出運(yùn)行速度和煤炭載荷的最佳匹配關(guān)系。速度調(diào)節(jié)控制功能既能保證煤炭的順利輸送和效率，還能降低煤炭的運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)工作過程的智能控制。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某煤炭在用帶式輸送機(jī)，該帶式輸送機(jī)的額定電壓為10 kV，實(shí)際運(yùn)載煤炭的能力為1 800 t/h。應(yīng)用過程中分別采集帶式輸送機(jī)恒速運(yùn)行和調(diào)速運(yùn)行模式下的部分速率變化曲線和電流波動(dòng)曲線，如圖5 所示。由圖5 可以看出變速控制模式下的帶式輸送機(jī)速率和電流變化趨勢(shì)相較于恒速控制模式更為平滑，整體未出現(xiàn)突變情況，說明帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖5 載煤量1 800 t/h 時(shí)帶式輸送機(jī)速率與電流變化曲線