劉 棟

（山西高平科興前和煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

目前，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，煤礦領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，煤礦工作面的自動化和智能化水平有了明顯的改善和提升[1]。刮板輸送機(jī)作為煤礦工作面中非常重要的輸送裝備，其智能化水平同樣得到了較大提升，并且正朝著更高可靠性、更高運(yùn)輸效率方向發(fā)展[2-3]。刮板輸送機(jī)傳統(tǒng)的控制模式工作時存在一定缺陷，其中最明顯的問題是啟動過程會對設(shè)備造成沖擊，運(yùn)行過程中多電機(jī)之間無法保持功率平衡，導(dǎo)致設(shè)備的故障率居高不下[4-6]。針對以上問題以刮板輸送機(jī)為研究對象，設(shè)計(jì)了一種變頻控制系統(tǒng)并展開應(yīng)用分析。

1 SGZ1000/3×855 型刮板輸送機(jī)概述

以SGZ1000/3×855 型刮板輸送機(jī)為對象開展研究，如圖1 所示為該型號刮板輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，刮板輸送機(jī)主要由圓環(huán)鏈、刮板、中部槽、鏈輪、聯(lián)軸器、減速器、液力耦合器和電動機(jī)等部分構(gòu)成。電動機(jī)提供動力，其輸出的動力經(jīng)過液力耦合器和減速器后傳輸?shù)芥溳喼?，鏈輪?qū)動鏈條運(yùn)動，進(jìn)而帶動刮板作循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，位于中部槽上方的煤礦物料得以運(yùn)輸。需要說明的是，SGZ1000/3×855 型刮板輸送機(jī)共有三部電機(jī)，其中兩部位于機(jī)頭部位，一部位于機(jī)尾部位，三部電機(jī)同時輸出動力，每部電機(jī)的功率為855 kW。

圖1 掛板輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

刮板輸送機(jī)在工作時存在的問題主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，設(shè)備在啟動時由于采用的是硬啟動模式，所以啟動過程加速度非?？欤瑢υO(shè)備造成了明顯的沖擊；第二，由于設(shè)備采用三部高功率電機(jī)同時進(jìn)行驅(qū)動，所以三步電機(jī)之間的功率平衡問題難以保障。以上問題的存在導(dǎo)致刮板輸送機(jī)工作時經(jīng)常出現(xiàn)故障問題，嚴(yán)重影響采煤的連續(xù)性，對采煤效率的提升構(gòu)成了嚴(yán)重制約。

2 變頻控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案

通過變頻驅(qū)動的方式對刮板輸送機(jī)的啟動過程，包括重載啟動和空載啟動，以及正常運(yùn)行過程進(jìn)行控制，如圖2 所示為設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)的整體方案框圖。

圖2 變頻控制系統(tǒng)的整體方案框圖

在本系統(tǒng)中，將機(jī)頭部位的兩部電機(jī)等效成為一部電機(jī)。機(jī)頭和機(jī)尾部位的電機(jī)分別通過一臺變頻器進(jìn)行速度控制，所有變頻器均與PLC 控制器進(jìn)行連接并接受PLC 控制器的控制。利用電流傳感器對三部電機(jī)運(yùn)行過程中的電流值進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果實(shí)時傳輸?shù)絇LC 控制器中進(jìn)行分析與處理，PLC 控制器根據(jù)電流值對電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。基于先進(jìn)的變頻調(diào)控技術(shù)可以對電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行電流的控制以及不同電機(jī)之間功率平衡問題的控制。

2.2 工作原理

基于變頻調(diào)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的軟啟動。啟動過程中電機(jī)速度嚴(yán)格按照系統(tǒng)內(nèi)置的加速度進(jìn)行啟動。通過這種方式可有效緩解啟動過程對設(shè)備造成的沖擊，尤其是重載啟動時造成的沖擊。

對于三部電機(jī)之間的功率平衡問題，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電機(jī)的電流值與其負(fù)載大小存在緊密聯(lián)系，所以通過檢測電流值即可判斷電機(jī)之間是否實(shí)現(xiàn)了功率平衡。如果檢測發(fā)現(xiàn)機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)電流相等，認(rèn)為電機(jī)實(shí)現(xiàn)了功率平衡；如果機(jī)頭電機(jī)電流小于機(jī)尾電機(jī)電流，通過PLC 控制器可以提升機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)功率平衡；相反的，如果機(jī)頭電機(jī)電流大于機(jī)尾電機(jī)電流，則通過PLC 控制器提升機(jī)尾部位電機(jī)電流值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)之間的功率平衡。

3 變頻控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 主要硬件的選型

以下主要對PLC 控制器和傳感器進(jìn)行介紹。PLC 控制器是控制系統(tǒng)中的核心部分，其性能好壞會對控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。結(jié)合實(shí)際情況選用的控制器型號為DX-MA01，該控制器屬于高度集成控制器，整體體積相對較小，但是具有豐富的輸入和輸出接口，可以與多種其他硬件設(shè)施進(jìn)行連接，控制器可以直接和開關(guān)閥、比例閥、等進(jìn)行連接并對其進(jìn)行控制。CPU是PLC 控制器中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，CPU 型號為TC1796 型，為32 位，具有優(yōu)良的性能。內(nèi)存和閃存大小分別為4 MB 和80 kB，完全能夠滿足控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需要。另外，控制器具有豐富的拓展接口，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行拓展，以豐富控制系統(tǒng)的實(shí)際功能。PLC 控制器基于PID 控制原理實(shí)現(xiàn)變頻控制基本過程，如圖3 所示為PID 控制基本原理圖。

圖3 PLC 控制器的PID 控制基本原理圖

圖中的傳感器為電流傳感器，作用是對三部電機(jī)運(yùn)行過程中的電流值進(jìn)行實(shí)時檢測，并傳輸?shù)絇LC 控制器中進(jìn)行處理。傳感器具體的型號為CSNR16I，該型號傳感器具有良好的防爆功能，完全能夠適應(yīng)礦井粉塵多、潮濕等惡劣的環(huán)境。正常工作時的電壓值為DC 24V，電流值為200 mA。

3.2 主要軟件程序介紹

如圖4 所示為刮板輸送機(jī)多電機(jī)之間功率平衡的控制流程圖，其控制流程可以概述如下：刮板輸送機(jī)啟動工作后，控制系統(tǒng)立即啟動，并利用傳感器對機(jī)頭和機(jī)尾部位電動機(jī)的電流值進(jìn)行識別，將識別結(jié)果傳輸?shù)絇LC 控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。比較時機(jī)頭電機(jī)在前、機(jī)尾電機(jī)在后，可以計(jì)算兩者之間的電流差值Δi。如果兩者之間的電流差值Δi=0，說明機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的功率已經(jīng)保持平衡，無須進(jìn)行調(diào)速處理；如果比較后發(fā)現(xiàn)機(jī)頭部位電機(jī)電流比機(jī)尾部位電電流要大，即Δi＞0，則需要通過PLC 控制器下達(dá)控制指令，降低機(jī)頭部位電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，直到電流差值為0 為止；如果比較后發(fā)現(xiàn)機(jī)頭部位電機(jī)電流比機(jī)尾部位電電流要小，即Δi＜0，則需要通過PLC 控制器下達(dá)控制指令，降低機(jī)尾部位電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，直到電流差值為0 為止。

圖4 多電機(jī)之間功率平衡控制流程圖

4 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

將以上所述的變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到SGZ1000/3×855 型刮板輸送機(jī)中，并對其運(yùn)行效果進(jìn)行了連續(xù)三個月時間的現(xiàn)場測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個測試期間變頻控制系統(tǒng)整體運(yùn)行比較穩(wěn)定，各項(xiàng)功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。控制系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造的效益主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)的自動化運(yùn)行，使煤礦工作面的智能化建設(shè)更進(jìn)一步，提升了煤礦企業(yè)的市場競爭力；第二，控制系統(tǒng)的應(yīng)用提升了設(shè)備運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)備故障率有了明顯的降低，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)成本，經(jīng)過初步統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省的維護(hù)保養(yǎng)成本在30 萬元左右；第三，故障率的降低提升了刮板輸送機(jī)的開機(jī)時間，為開采率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同樣可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)效益。