王素玲

(山西省節(jié)能中心有限公司，山西 太原 030045)

0 引 言

煤礦帶式運(yùn)輸機(jī)是必不可少的煤炭運(yùn)輸設(shè)備，扮演著非常重要的角色，具有長(zhǎng)距離、大功率、運(yùn)輸能力強(qiáng)、能耗低的特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)煤礦運(yùn)輸機(jī)采用液力耦合器配合行星減速機(jī)進(jìn)行工作，存在啟動(dòng)瞬時(shí)電流大、皮帶加載時(shí)間短、張力變化過(guò)快等缺陷，而且多電機(jī)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，雖增加了運(yùn)輸距離，但常因多電機(jī)功率不平衡導(dǎo)致皮帶張力突變或是運(yùn)輸速度不穩(wěn)定，降低了皮帶壽命[2]；原有的電控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)定位，設(shè)備聯(lián)控能力差，無(wú)形中增加了現(xiàn)場(chǎng)管理難度[3]。

筆者提出以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，借助變頻自動(dòng)調(diào)速技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的一套新型的帶式運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)的作用，不僅實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸機(jī)的軟啟動(dòng)，而且系統(tǒng)可通過(guò)運(yùn)輸機(jī)實(shí)時(shí)工況自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速、皮帶的張力大小，顯著提高了皮帶的壽命。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程上位機(jī)、PLC控制器、聲光報(bào)警裝置、變頻調(diào)速單元、傳感檢測(cè)裝置等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。遠(yuǎn)程上位機(jī)與PLC控制器之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

其中，遠(yuǎn)程上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸重量、運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)電流、溫度、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等，以曲線形式進(jìn)行顯示，同時(shí)具備數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程調(diào)速控制等功能；PLC控制器是系統(tǒng)核心設(shè)備，負(fù)責(zé)運(yùn)輸機(jī)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)處理，包括各種數(shù)字量、模擬量，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況作出動(dòng)作判斷，在PLC中內(nèi)置了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制策略、故障精準(zhǔn)定位策略、運(yùn)輸機(jī)變頻調(diào)速策略、軟啟動(dòng)策略；聲光報(bào)警裝置用于工況數(shù)據(jù)超限報(bào)警及故障報(bào)警，系統(tǒng)傳感檢測(cè)裝置負(fù)責(zé)對(duì)帶式運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行全生命周期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并上傳給PLC控制器；變頻調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)接收PLC的控制指令，改變自身工作頻率和電壓來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)輸機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成對(duì)運(yùn)輸機(jī)的變頻調(diào)速。

2 硬件方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 PLC主控制器選型

根據(jù)礦井的實(shí)際工作環(huán)境需要以及帶式運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)的要求，文中采用西門(mén)子的S7-300系列PLC控制器作為核心處理器，同時(shí)配置模擬量、數(shù)字量模塊、通信模塊、電源模塊等完成控制。

系統(tǒng)涉及電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等多個(gè)模擬量及設(shè)備啟停信號(hào)等數(shù)字量，根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，擴(kuò)展了SM321數(shù)字量輸入模塊、SM322數(shù)字量輸出模塊，用于對(duì)運(yùn)輸機(jī)各類(lèi)啟停信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行顯示計(jì)量，同時(shí)發(fā)布控制信號(hào)；SM331模擬量輸入模塊，用于連接電流傳感器、溫度傳感器等各類(lèi)模擬量傳感器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理為PLC可接受的信息。

2.2 傳感器檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)與選型

電控系統(tǒng)需要采集的參數(shù)包括電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、運(yùn)輸機(jī)的電參數(shù)以及皮帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸煤量。

溫度傳感器采用了鉑電阻PT100傳感器，用于檢測(cè)電機(jī)繞組和軸承的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)溫度超限時(shí)，電機(jī)電源將會(huì)切斷；運(yùn)輸機(jī)電參數(shù)的測(cè)量采用了電參數(shù)采集模塊EDA9033A，可對(duì)運(yùn)輸機(jī)的電壓、電流、功率等參數(shù)進(jìn)行采集，該模塊同時(shí)兼顧 RS232和RS485通訊接口。電子皮帶秤采用ICS-ST型防爆皮帶秤，用于檢測(cè)運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送煤炭的速度和重量。

整個(gè)電控系統(tǒng)采用了多數(shù)量多類(lèi)型傳感器，同一類(lèi)型的多個(gè)傳感器采用數(shù)字排序標(biāo)記的方式安裝在運(yùn)輸機(jī)的不同部位，并設(shè)置好相應(yīng)的檢測(cè)程序，這樣便可對(duì)運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行故障的精準(zhǔn)定位，上位機(jī)上可顯示對(duì)應(yīng)位置的參數(shù)信息，超限預(yù)警。

2.3 變頻調(diào)速單元設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速單元是運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑穩(wěn)定控制的重要執(zhí)行部分，需要借助電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，皮帶運(yùn)輸煤量等參數(shù)，來(lái)進(jìn)行對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)控。

電控系統(tǒng)通過(guò)交直交變頻器來(lái)進(jìn)行工作。根據(jù)電機(jī)的工作原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的輸入頻率、輸入電壓是正比關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)整，通過(guò)改變電源的輸入頻率和電壓即可：

(1)

式中：n為轉(zhuǎn)速；f為電源的輸入頻率；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

交直交變頻器具備較寬的調(diào)節(jié)范圍，啟動(dòng)電機(jī)時(shí)加速度可控制在0～0.05 m/s2之間，通過(guò)軟起動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)“S”曲線啟動(dòng)，避免啟動(dòng)電流大造成的沖擊問(wèn)題。

系統(tǒng)變頻器選用了INVT-CHV190系列變頻器，具體型號(hào)為CHV190-200G-6，該變頻器為矢量控制型變頻器，系統(tǒng)對(duì)于一套運(yùn)輸機(jī)配置兩臺(tái)變頻器，同時(shí)具備主從控制功能，兩臺(tái)變頻器的功率完全相同，主機(jī)采用速度模式，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩模式。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

軟件程序根據(jù)S7-300PLC控制器，采用STEP7軟件對(duì)其進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，可將PLC的功能盡可能利用起來(lái)，線上線下都可進(jìn)行程序編程。

針對(duì)運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)，采用模塊化程序的設(shè)計(jì)理念，將系統(tǒng)程序統(tǒng)一劃分為主程序和各功能子程序，當(dāng)進(jìn)行某一功能運(yùn)行時(shí)，由主程序統(tǒng)一調(diào)用子程序來(lái)完成。運(yùn)輸機(jī)控制包括兩種模式，自動(dòng)和手動(dòng)方式。自動(dòng)模式下可根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、煤量多少等參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)皮帶的運(yùn)行速度。其中，子程序包括運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)子程序、自動(dòng)變頻調(diào)速子程序、功率平衡控制子程序、運(yùn)輸機(jī)啟停子程序、緊急制動(dòng)子程序，同時(shí)還有聲光報(bào)警子程序、傳感數(shù)據(jù)檢測(cè)子程序、功能保護(hù)子程序等。圖2所示為運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)的程序框圖。電機(jī)啟動(dòng)以軟啟動(dòng)曲線的方式進(jìn)行。

圖2 運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)流程框圖

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果

中煤平朔井工三礦自2019年投入該電控系統(tǒng)以來(lái)，經(jīng)過(guò)近兩年的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常。通過(guò)傳感器數(shù)字排序方式檢測(cè)，遠(yuǎn)程控制室可有效、精準(zhǔn)地判定故障發(fā)生的位置以及故障原因，提高了管理效率。通過(guò)引入變頻調(diào)速系統(tǒng)，改變了電機(jī)啟動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了平滑啟動(dòng)，提高了皮帶機(jī)的壽命；電控系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，經(jīng)估算，系統(tǒng)投入以來(lái)平均每年節(jié)省的人工成本、設(shè)備維修費(fèi)用、材料費(fèi)用共計(jì)約 50萬(wàn)元，系統(tǒng)投資改造成本小，非常值得推廣。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)已無(wú)法滿足目前煤礦運(yùn)行和管理發(fā)展的需求，文中設(shè)計(jì)了一套運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)故障的精準(zhǔn)定位和電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)變頻調(diào)控，通過(guò)PLC控制器輸出不同的模擬信號(hào)改變變頻器的頻率，便可改變帶式輸送機(jī)的帶速，調(diào)整張力的大小；此外，“S”曲線式平滑啟動(dòng)避免了啟動(dòng)沖擊電流對(duì)電機(jī)的損傷，顯著提高了運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，降低了煤礦的運(yùn)營(yíng)成本，具有一定的參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。