任世杰

（同煤集團(tuán)臨汾宏大虎峰煤業(yè)，山西運(yùn)城 043300）

0 引言

在大型煤礦運(yùn)輸過(guò)程中，皮帶輸送機(jī)屬于重要的運(yùn)輸設(shè)備，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸安全、便于維護(hù)、自動(dòng)控制等特點(diǎn)。特別對(duì)于井下工況環(huán)境特殊，如運(yùn)輸線路比較長(zhǎng)、空間相對(duì)狹小等，皮帶輸送機(jī)是井下采煤運(yùn)輸?shù)淖罴堰x擇。皮帶輸送機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中，需要消耗大量的電能，屬于高耗能裝置。對(duì)于傳統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)而言，其控制形式比較單一，同時(shí)選用恒轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制形式。假如采煤量比較小時(shí)，這時(shí)運(yùn)輸機(jī)依舊以高速度運(yùn)行，加劇了電能的消耗，造成不必要的經(jīng)濟(jì)成本浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國(guó)煤礦皮帶機(jī)工作效率低于60%，與科技發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)上都設(shè)置了變頻控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但并未對(duì)皮帶輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與多驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率進(jìn)行合理分配，同時(shí)還存在變頻控制精確度不高等［1］。基于此，本文設(shè)計(jì)了PLC控制的變頻皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)，其可以借助PLC對(duì)運(yùn)輸機(jī)的控制，進(jìn)一步依據(jù)煤流量實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)頻率的實(shí)時(shí)控制。在對(duì)運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行軟控制時(shí)可以選用變頻器，其具有實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)的無(wú)機(jī)調(diào)速以及系統(tǒng)的智能控制兩個(gè)功能，進(jìn)一步提升運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在設(shè)計(jì)時(shí)，皮帶輸送機(jī)選用雙驅(qū)動(dòng)的形式，其電機(jī)功率與體型方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但在使用時(shí)需要采用較大功率的啟動(dòng)電流，同時(shí)輸出功率不平衡，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)適合井下皮帶輸送機(jī)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)［2］。

本文設(shè)計(jì)的皮帶輸送機(jī)包括以下3大部分。

（1）運(yùn)行監(jiān)測(cè)層。運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。其中電參數(shù)采集單元主要可以采集電機(jī)參數(shù)，如電流、功率；帶速傳感器可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)行速度；電機(jī)傳感器可以采集電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)；皮帶秤可以采集運(yùn)量數(shù)據(jù)。

（2）PLC控制層。其屬于控制核心層，收集各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，同時(shí)完成參數(shù)的處理與分析，以及完成皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng)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(lái)控制信號(hào)的輸出頻率，同時(shí)將其傳輸給電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而可以達(dá)到控制電機(jī)啟動(dòng)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(jī)型號(hào)相同，供電條件也相同，因此可以認(rèn)為電機(jī)的功率因數(shù)也相同，進(jìn)而使用負(fù)載電流作為功率平衡的條件［3］。

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中通?？梢詣澐譃槿缦?種：2臺(tái)電機(jī)都處于電動(dòng)狀態(tài)；1臺(tái)工作于電動(dòng)，而另1臺(tái)處于發(fā)電狀態(tài)；2臺(tái)均工作于發(fā)電狀態(tài)。假如2臺(tái)電機(jī)都處于電動(dòng)的工作狀態(tài)下，那么將負(fù)載電流設(shè)為正；假如電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，那么可以把負(fù)載電流設(shè)置為負(fù)。當(dāng)PLC接收到信號(hào)之后，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到電流的平均值，以IP為基準(zhǔn)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(shí)，則該電機(jī)頻率不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；假如時(shí)，則把該電機(jī)的頻率調(diào)下；假如時(shí)，則把該電機(jī)的頻率調(diào)大。

對(duì)于1臺(tái)發(fā)電、1臺(tái)電動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，可以使用控制器比較2個(gè)電機(jī)電流的絕對(duì)值。假如發(fā)電機(jī)的電流數(shù)值比較大時(shí)，那么等價(jià)于輸送機(jī)處于牽引的狀態(tài)，因此需要降低電動(dòng)機(jī)的頻率。反之，電機(jī)牽引運(yùn)輸機(jī)，這時(shí)可以通過(guò)增加發(fā)電機(jī)的頻率，進(jìn)而可以使其處于電動(dòng)狀態(tài)［4］。

2 硬件電路設(shè)計(jì)方案

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

圖2 變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主電路

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

變頻器在工作過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生電磁，從而對(duì)控制器產(chǎn)生一定干擾，同時(shí)可能引發(fā)保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)。借助濾波器可以有效地起到抑制電磁干擾的作用，對(duì)設(shè)備誤動(dòng)起到一定的抑制作用，提升設(shè)備的安全運(yùn)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(dòng)機(jī)附近，可以設(shè)置輸出電阻器來(lái)增加導(dǎo)線，與此同時(shí)能夠較好地抑制變頻器開(kāi)關(guān)動(dòng)作帶來(lái)的沖擊電壓，從而可以極大地提高電纜的絕緣強(qiáng)度與安全運(yùn)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(hù)電機(jī)。與此同時(shí)，可以降低能耗以及提高電能的使用率。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

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(huì)執(zhí)行中斷程序之后，反過(guò)來(lái)執(zhí)行主程序。通常系統(tǒng)的主程序包括運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)控制程序、運(yùn)輸機(jī)停比控制程序、故障保護(hù)程序等。當(dāng)變頻系統(tǒng)啟動(dòng)之后，對(duì)啟動(dòng)條件進(jìn)行判斷，假如外部電路滿足啟動(dòng)條件，諸如電機(jī)滾筒、變頻器不存在任何故障，那么即可啟動(dòng)程序。啟動(dòng)時(shí)主電路首先閉合，經(jīng)過(guò)5 s的延時(shí)之后，進(jìn)入變頻模式。假如電機(jī)達(dá)到設(shè)定的速度時(shí)，還應(yīng)保證電機(jī)保持正常的電流，這時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)結(jié)束。圖3所示為運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)程序流程。

圖3 運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)程序流程

當(dāng)按下停止按鈕之后，PLC將會(huì)輸出停止按鈕，從而使得主電路器斷開(kāi)，經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)之后將會(huì)停止變頻。圖4所示為相應(yīng)的運(yùn)輸機(jī)停止程序流程［6］。

圖4 運(yùn)輸機(jī)停止程序流程

系統(tǒng)在工作時(shí)，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(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。假如出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，那么系統(tǒng)將會(huì)立即發(fā)出停止指令，反之運(yùn)輸機(jī)達(dá)到設(shè)定的速度之后可以趨于穩(wěn)定地運(yùn)行。圖5所示為相應(yīng)的調(diào)速控制程序流程。

圖5 運(yùn)輸機(jī)調(diào)速控制流程

4 變頻控制的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)

變頻控制的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下。

（1）有效掌控皮帶運(yùn)輸機(jī)的軟啟動(dòng)過(guò)程。電機(jī)的緩慢啟動(dòng)是通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)達(dá)成的。另外，變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于皮帶內(nèi)部的能量也可以實(shí)現(xiàn)很好地調(diào)控，起到保護(hù)機(jī)械和皮帶的作用。

（2）調(diào)節(jié)皮帶強(qiáng)度。變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，然后對(duì)部分啟動(dòng)時(shí)間加以增補(bǔ)，這樣就可以通過(guò)分擔(dān)的方式來(lái)減弱皮帶的強(qiáng)度，很大程度上降低了購(gòu)買皮帶的成本和維護(hù)成本［7］。

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

（4）可節(jié)能降耗。通過(guò)變頻器對(duì)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的速度大小加以調(diào)整，在皮帶運(yùn)輸機(jī)的負(fù)重發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)行速度也會(huì)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(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的井下皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，其具有平穩(wěn)性，不僅可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)，而且能夠極大地降低能量消耗。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)啟動(dòng)電流之后，其對(duì)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(jì)性。