李 霞

（太原正越工程設(shè)計有限公司， 山西 太原 030001）

引言

帶式輸送機為煤礦運輸?shù)闹饕O(shè)備，該設(shè)備在設(shè)計、生產(chǎn)制造時為保證運行的可靠性和運載能力，所匹配的機械部件和電氣裝置在最大運量的基礎(chǔ)上乘以一定的備用系數(shù)。當(dāng)帶式輸送機的運量較大時，對應(yīng)的運輸效率高；當(dāng)帶式輸送機運量較小時，對應(yīng)的運輸效率偏低。實踐表明，帶式輸送機處于低效模式下運行，電能浪費現(xiàn)象較為嚴(yán)重[1]。因此，實現(xiàn)帶式輸送機運量和運速的相互匹配，對于帶式輸送機的節(jié)能運行具有重要意義。為此，本文將設(shè)計一款可應(yīng)用于帶式輸送機的自動控制裝置，并對其應(yīng)用效果進(jìn)行評估驗證。

1 帶式輸送機功率跟蹤平衡策略

隨著工作面帶式輸送機功率和運量的增加，采用單電機的驅(qū)動方式往往會造成電流過大、沖擊過大的問題，導(dǎo)致對帶式輸送機機械部件和電機造成損傷。為此，目前多數(shù)帶式輸送機以電機驅(qū)動為主。對于多電機驅(qū)動帶式輸送機而言，由于加工精度、制造與安裝誤差以及電機特性的差異等問題常導(dǎo)致各個電機之間存在功率不平衡的問題[2]。為保證將來所設(shè)計的自動控制裝置可發(fā)揮其節(jié)能、安全運行的效果，首先需重點解決多電機驅(qū)動帶式輸送機的功率不平衡問題。本文所研究帶式輸送機的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 帶式輸送機關(guān)鍵參數(shù)

從理論上，影響多電機帶式輸送機功率及其各電機功率配比的主要因素為輸送帶運行速度和運量。傳統(tǒng)采用扭矩控制和電流控制法實現(xiàn)多電機驅(qū)動帶式輸送機功率平衡的控制，采取上述兩種方式存在調(diào)節(jié)速度慢、超調(diào)量大以及穩(wěn)定性低的問題，影響帶式輸送機的安全穩(wěn)定運行。

變頻啟動為帶式輸送機主流的軟啟動方式，其對應(yīng)的電機功率平衡控制策略為主-從協(xié)調(diào)的矢量控制方式。多電機驅(qū)動的帶式輸送機包括有主變頻器和從變頻器；其中，主變頻器主要是對帶式輸送機的運行速度進(jìn)行控制；從變頻器基于主-從跟隨策略實現(xiàn)給從電機與主電機功率平衡的控制。帶式輸送機變頻器主-從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變頻器主-從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 帶式輸送機自動控制裝置的研究

目前，工作面帶式輸送機控制系統(tǒng)的設(shè)備層主要包括有高壓變頻器、膠帶張緊裝置、綜合保護(hù)系統(tǒng)、輸送帶在線監(jiān)測裝置、帶式輸送機制動裝置、高低壓配電系統(tǒng)以及振動監(jiān)測儀組成。所配置各個系統(tǒng)的型號如下頁表2 所示。

表2 帶式輸送機控制系統(tǒng)設(shè)備層

在上述現(xiàn)場設(shè)備層的整體作用下，需要專用的自動控制裝置實現(xiàn)對帶式輸送機的自動化、高可靠性的控制。本節(jié)重點對帶式輸送機自動控制裝置的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計。

2.1 自動控制裝置的硬件設(shè)計

自動控制裝置為實現(xiàn)帶式輸送機自動控制的核心，其是實現(xiàn)帶式輸送機運輸系統(tǒng)控制的中間紐帶，該裝置的控制核心為PLC 控制器。結(jié)合各類PLC 控制器的性能及其應(yīng)用場所的惡劣性，本裝置選用S7-300 系列PLC 控制器。帶式輸送機自動控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機自動控制裝置的硬件框圖

如圖2 所示，自動控制裝置由集中控制柜中的PLC 控制器和各類設(shè)備組成，不同設(shè)備對應(yīng)的連接方式不同。其中，集中控制柜與帶式輸送機綜合保護(hù)系統(tǒng)采用通訊與干接點相結(jié)合方式進(jìn)行連接；與變頻控制裝置采用通訊/接點/模擬量的方式進(jìn)行連接；與設(shè)備盤式制動裝置采用接點/模擬量的方式實現(xiàn)連接；與自動張緊裝置采用接點/模擬量的方式實現(xiàn)連接[3]。

2.2 自動控制裝置的軟件設(shè)計

基于自動控制裝置的硬件組成和現(xiàn)場的各類設(shè)備，在軟件的作用下實現(xiàn)對帶式輸送機故障、張緊、制動、啟動以及速度調(diào)節(jié)的控制。本節(jié)重點對帶式輸送機自動控制裝置的啟動和功率平衡的程序流程進(jìn)行設(shè)計。

2.2.1 帶式輸送機啟動程序控制

帶式輸送機啟動前需對整個系統(tǒng)的綜合保護(hù)裝置、變頻器、制動裝置以及張緊裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行判斷，在滿足啟動要求的基礎(chǔ)上按照預(yù)定啟動曲線進(jìn)行啟動，并根據(jù)輸送帶的實時速度和預(yù)定速度的差值對變頻器的頻率進(jìn)行控制，最終帶式輸送機達(dá)到預(yù)定速度，完成啟動[4]。

2.2.2 帶式輸送機功率平衡控制

帶式輸送機在運行期間，對各個變頻器的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測，對其主從變頻器的功率值，根據(jù)設(shè)備的實時運量得出變頻器的最佳運行功率，完成對帶式輸送機電機的功率平衡控制。

3 帶式輸送機自動控制裝置的應(yīng)用

為驗證本文所設(shè)計自動控制裝置在帶式輸送機的應(yīng)用效果，主要對帶式輸送機的節(jié)能效果進(jìn)行對比[5]。分別對帶式輸送機采用傳統(tǒng)控制方式（帶速與運量不相匹配）和采用自動控制裝置的節(jié)能效果進(jìn)行對比，而且對不同運量對應(yīng)的節(jié)能性進(jìn)行對比。對比結(jié)果如表3 所示。

表3 帶式輸送機自動控制裝置應(yīng)用節(jié)能效果

如表3 所示，采用傳統(tǒng)控制方式在不同運量下帶式輸送機均以4 m/s 的速度運行，而采用自動控制裝置可根據(jù)運量不同對帶速進(jìn)行調(diào)整。同時，以運量為1 200 t/h 為例，采用傳統(tǒng)控制方式對應(yīng)的能耗為4.76×106kW·h，采用自動控制對應(yīng)的能耗為4.20×106kW·h，節(jié)能效率可達(dá)11%。

4 結(jié)語

帶式輸送機作為煤礦的主要運輸設(shè)備，隨著工作面運量和生產(chǎn)能力的增加，傳統(tǒng)單電機驅(qū)動帶式輸送機已經(jīng)不能夠滿足要求。目前，多電機帶式輸送機的應(yīng)用主要以功率不平衡和電能浪費的問題為主，究其原因在于傳統(tǒng)控制方式不能根據(jù)運量不同對運速進(jìn)行匹配性控制。為此，本文在綜合保護(hù)裝置、變頻裝置、制動裝置和張緊裝置等分系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計自動控制裝置的軟件和硬件，在滿足帶式輸送機運行基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)帶速與運量匹配性控制。實踐表明，采用自動控制裝置的控制方式較傳統(tǒng)控制方式可節(jié)能11%。