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        帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2021-04-08 12:25:50
        機(jī)械管理開發(fā) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:變頻器設(shè)計(jì)

        曹 露

        (大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司電氣隊(duì), 山西 大同 037000)

        引言

        帶式輸送機(jī)為綜采工作面關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備,將朝著大運(yùn)量、長距離以及大功率的方向發(fā)展。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明,帶式輸送機(jī)的能耗與其他設(shè)備相比僅次于采煤機(jī)。而且,當(dāng)前工作面帶式輸送機(jī)的節(jié)能改造還存在極大的空間,主要表現(xiàn)為,帶式輸送機(jī)無法根據(jù)其運(yùn)量對運(yùn)速進(jìn)行實(shí)時調(diào)控,從而出現(xiàn)運(yùn)量與運(yùn)速不匹配的問題[1]。因此,為帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)節(jié)能控制系統(tǒng),保證輸送帶運(yùn)量與運(yùn)速相匹配。

        1 帶式輸送機(jī)節(jié)能基礎(chǔ)研究

        完成對帶式輸送機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì),需掌握帶式輸送機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)、阻力系數(shù)的選擇以及導(dǎo)向滾張力增量系數(shù)的選擇。因此需對帶式輸送機(jī)輸送點(diǎn)逐點(diǎn)張力、主電機(jī)制動功率以及負(fù)荷平衡等計(jì)算。本文所研究TD75 型帶式輸送機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1 所示:

        表1 帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

        本文著重對帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì),此處不對計(jì)算過程進(jìn)行詳細(xì)闡述,僅列出計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)后文節(jié)能控制系統(tǒng)中關(guān)鍵硬件的選型設(shè)計(jì)[2]。結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式所得如下結(jié)論:

        帶式輸送機(jī)輸送帶許用應(yīng)力最小值為148 577 N;在正常運(yùn)行過程中,控制系統(tǒng)為輸送帶提供的最小制動力為115 377.33 N,對應(yīng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)的總功率623.24 kW。

        基于上述計(jì)算并結(jié)合當(dāng)前帶式輸送機(jī)所選擇驅(qū)動電機(jī)的類型,針對該帶式輸送機(jī)選用兩臺YBk2系列的三相異步電動機(jī)驅(qū)動設(shè)備的運(yùn)行,該電機(jī)的主要參數(shù)如下:電動機(jī)的額定功率為315 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

        2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

        為帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)配置以液壓控制系統(tǒng)和各種傳感器組成的機(jī)電液一體化控制系統(tǒng)[3]。另外,將節(jié)能控制系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控,從而實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的自動化控制功能。

        基于上述設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)如圖1 所示的節(jié)能控制原理框圖:

        圖1 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)原理框圖

        如圖1 所示:由磁力啟動器對液壓泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的啟動;有主電機(jī)四象限變頻器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速,從而控制輸送帶的速度;由制動磁力器實(shí)現(xiàn)對設(shè)備制動器的控制;由潤滑磁力起動器實(shí)現(xiàn)對設(shè)備潤滑電機(jī)運(yùn)行的控制。此外,基于油溫、帶速、電流、油壓以及相關(guān)保護(hù)傳感器對帶式輸送機(jī)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和保護(hù)[4]。本控制系統(tǒng)中的核心硬件為PLC 和對輸送帶運(yùn)速實(shí)時控制的四象限變頻器,其對應(yīng)選型結(jié)果及參數(shù)如下頁表2 所示。

        PLC 控制器的選型需綜合考慮其現(xiàn)場控制設(shè)備輸入輸出點(diǎn)數(shù)、可靠性、適應(yīng)性、功能模塊化以及成本等因素。根據(jù)皮帶運(yùn)輸軟啟動控制的功能要求,選用S7-200 系列的PLC 控制器;結(jié)合現(xiàn)場控制所需采集參數(shù)數(shù)字量、模擬量的個數(shù)以及控制參數(shù)的個數(shù),對應(yīng)型號為6ES7216 的CPU 模塊共包含有24 個輸入點(diǎn)、16 個輸出點(diǎn),滿足皮帶運(yùn)輸機(jī)帶負(fù)載軟啟動的控制要求。

        表2 變頻器的選型及參數(shù)

        除了主電機(jī)外,還需調(diào)速電機(jī)配合四象限變頻器實(shí)現(xiàn)對輸送帶運(yùn)速的實(shí)時控制。調(diào)速電機(jī)與主電機(jī)主要區(qū)別在于:主電機(jī)主要承擔(dān)皮帶運(yùn)輸機(jī)的負(fù)載,為其提供相應(yīng)的功率;調(diào)速電機(jī)只應(yīng)用于設(shè)備在帶負(fù)載啟動時,根據(jù)負(fù)載大小對調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時控制。

        本文采用變頻控制原理對調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速或功率進(jìn)行控制。經(jīng)研究可知:調(diào)速電機(jī)與主電機(jī)的功率比如式(1)所示:

        式中:f 為基頻,取50 Hz;f'為調(diào)速電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的頻率值,一般將f'控制在300 Hz 為最佳;P'為調(diào)速電機(jī)的額定功率值,一般將P'控制在300 Hz為最佳;P 為主電機(jī)的功率值。

        結(jié)合皮帶運(yùn)輸機(jī)主電機(jī)功率為1 500 kW,經(jīng)換算可得對應(yīng)調(diào)速電機(jī)的額定功率值為250 kW。經(jīng)查閱相關(guān)手冊,最終選型調(diào)速電機(jī)的型號為Tk280-20/1210,該調(diào)速電機(jī)對應(yīng)的其他參數(shù)如表3 所示。

        3 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

        PLC 控制器為節(jié)能控制系統(tǒng)的核心,其通過接收主電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、輸出轉(zhuǎn)速傳感器所采集到的參數(shù)信息以及其得到的軟啟動、軟停車以及緊急停車等信息對變頻器進(jìn)行控制,從而對調(diào)速電機(jī)進(jìn)行控制,最終實(shí)現(xiàn)對皮帶運(yùn)輸機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的控制[5]。因此,對于皮帶運(yùn)輸機(jī)軟啟動裝置的啟動程序而言,其對應(yīng)的程序流程圖如圖2 所示。

        如圖2 所示,軟啟動裝置控制系統(tǒng)的核心在于通過PLC 對變頻器實(shí)現(xiàn)對調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,進(jìn)而帶動主電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制,使得主電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足實(shí)際生產(chǎn)需求;并根據(jù)實(shí)時工況采用給定曲線完成調(diào)速電機(jī)的加速、減速控制。

        表3 Tk280-20/1210 調(diào)速電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

        圖2 軟啟動裝置軟啟動程序設(shè)計(jì)

        4 結(jié)論

        1)為TD75 型帶式輸送機(jī)配置主電機(jī)型號為YBk2系列的三相異步電機(jī),數(shù)量為2 臺。

        2)設(shè)計(jì)了以PLC 控制器和四象限變頻器為核心的節(jié)能控制系統(tǒng),并完成其中調(diào)速電機(jī)、PLC 控制器的選型。

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