楊仁偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

引言

皮帶輸送機是煤礦井下主要的運輸設(shè)備，其運行效率會直接影響井下煤炭運輸工作的開展[1-2]。受以往礦井煤炭生產(chǎn)能力不高、采掘范圍近等限制，礦井建設(shè)時采用的皮帶輸送機多為單機驅(qū)動，存在驅(qū)動功率小、運行速度不高以及負(fù)載能力差等問題[3-5]。隨著礦井生產(chǎn)能力以及采掘范圍增加，單機驅(qū)動皮帶輸送機已無法滿足要求，多機驅(qū)動皮帶輸送機在煤礦井下應(yīng)用呈增加趨勢。多機驅(qū)動皮帶輸送機可顯著提升運輸長度、負(fù)載，但是現(xiàn)場應(yīng)用時也存在不同程度的功率不平衡問題，若不合理控制則會降低皮帶輸送機運行穩(wěn)定性及使用壽命[6-7]。為此，本文對皮帶輸送機多機驅(qū)動控制系統(tǒng)進行分析，以期在一定程度上提高大功率皮帶輸送機運行效率。

1 大功率皮帶輸送機概況

文中研究對象為山西某礦西翼運輸大巷布置的型號DTL1500，機頭、機尾均布置有驅(qū)動電機。皮帶輸送機機構(gòu)包括有傳動滾筒、托輥、張緊裝置、皮帶以及驅(qū)動裝置等構(gòu)成，傳動滾筒主要作用是向輸送帶傳送動力；改向滾筒主要改變輸送帶方向；張緊裝置用以給輸送帶提供一定張緊力，確保滾筒與輸送帶密切貼合，避免出現(xiàn)打滑等故障。

在西翼運輸大巷布置的皮帶輸送機運輸長度超過3 700 m，機頭布置2臺、機尾布置1臺，電機功率均為630 kW。采用多電機驅(qū)動可有效解決皮帶輸送機驅(qū)動力不足問題，但是確保多電機功率平衡是需要重點解決的問題。

2 多電機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對DTL1500皮帶輸送機結(jié)構(gòu)進行分析的基礎(chǔ)上，并結(jié)合已有研究成果，提出的多電機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)中每個電機均配備一臺變頻器，采用變頻器可將相同電源輸出為不同頻率電源并為電動機供電，控制電機轉(zhuǎn)速。

圖1 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

皮帶輸送機機頭及機尾電機供電來源于同一供電系統(tǒng)，不同電機供電電壓保持一致，在電壓相同情況下，輸出電流可直接反應(yīng)電機輸出功率，因此可通過調(diào)整電流對電機功率進行調(diào)節(jié)。在具體控制中，可通過電流互感器監(jiān)測電機輸入電流，并將監(jiān)測結(jié)果自動傳輸給控制器進行分析。控制器首先計算3臺電機輸入電流平均值，并基于該電流平均值采用差值法對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速進行控制。若控制器發(fā)現(xiàn)某臺電機輸入電流高于或者低于平均值時，會向變頻器發(fā)出控制指令自動調(diào)整至電流輸入平均值。

2.1 啟動及制動方式

在啟動及制動階段若采用硬啟動或者硬制動方式，則會給皮帶輸送機帶來較大的機械沖擊，特別是處于重載階段時，造成的機械沖擊更為顯著，嚴(yán)重時會導(dǎo)致皮帶輸送機出現(xiàn)損傷。為此，提出采用軟啟動以及軟制動方式控制皮帶輸送機運行?，F(xiàn)階段皮帶輸送機常用的軟啟動模式包括有拋物線形、正弦啟動形以及S曲線形，通過對不同的軟啟動模式進行比對分析發(fā)現(xiàn)S曲線形現(xiàn)場應(yīng)用表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢，可明顯降低啟動過程中對皮帶輸送機的沖擊。

2.2 控制方法

采用PID控制方法對多電機進行協(xié)調(diào)控制，具體采用的PID控制原理如圖2所示，選用的控制方式為閉環(huán)控制，具備較高的控制精度。

圖2 PID控制原理

圖2中，r（t）表示人為或者系統(tǒng)給定電機輸入電流平均值；f（t）為電機實際輸入電流值；e（t）為實際電流與平均電流差值；u（t）為控制器分析后得到的電流調(diào)整值。變頻器可依據(jù)現(xiàn)場情況對輸入電流頻率進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

3 智能控制系統(tǒng)硬件及軟件結(jié)構(gòu)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

整個智能控制系統(tǒng)中主要的硬件結(jié)構(gòu)包括有變頻器、控制器以及網(wǎng)絡(luò)硬件等。

3.1.1 變頻器

變頻器采用型號S120變頻器，變頻器輸入電流頻率50 Hz，輸出電流0～120 Hz可調(diào)?？刂葡到y(tǒng)可基于S曲線對皮帶輸送機的運行進行精準(zhǔn)控制，避免重載啟動或者制動產(chǎn)生的機械沖擊。具體采用的S120變頻控制方案如圖3所示，電機功率平衡以及速度給定等均通過控制器完成，控制器與變頻器間用Profibus通信方式。

圖3 S120變頻控制方案

變頻器用以實現(xiàn)多電機協(xié)調(diào)控制并實現(xiàn)皮帶輸送機軟啟動、軟制動，按照S形曲線對電機啟動及制動進行精準(zhǔn)控制。在啟動及制動過程中，設(shè)定的加速度控制在0.08 m/s2以內(nèi)。同時采用的S120變頻器可依據(jù)現(xiàn)場皮帶輸送機運輸量對運行速度進行調(diào)節(jié)，以便達(dá)到提高皮帶輸送機運行效率并降低設(shè)備運行能耗的目的。

3.1.2 控制器

多機智能控制系統(tǒng)采用的控制器（PLC）型號為S7-300型，PLC采用模塊化設(shè)計，不同模塊間相互獨立并可隨意更換。S7-300型PLC在現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)出較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢，控制指令運算速度控制在0.1～0.6 μs內(nèi)，控制性能優(yōu)越?？刂破鲀?nèi)置有多個集成功能，減小了后續(xù)使用期間人工編程量，并可對設(shè)備后續(xù)運行過程中自身故障進行監(jiān)測、診斷，并可自動記錄故障類型及位置。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)硬件

為確保控制系統(tǒng)平穩(wěn)運行，皮帶輸送機每個變頻器使用1個PLC進行控制，3個PLC通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接，PLC與變頻器間通過Profibus-DP通信。具體皮帶輸送機智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。變頻器運行過程獲取到的故障信號、控制信號等均會傳輸至PLC進行分析，PLC內(nèi)置CPU 315-2DP模塊與光纖模塊連接，實現(xiàn)不同PLC間的數(shù)據(jù)傳輸，具體數(shù)據(jù)類型包括有電壓、電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。

圖4 智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 控制軟件

皮帶輸送機多電機智能控制軟件具體運行流程如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)啟動運行后，首先判斷皮帶輸送機是否滿足啟動條件，若滿足啟動條件時則正常啟動，否則應(yīng)立即停止運行。控制系統(tǒng)包括有自動控制、就地控制兩種控制模式。

圖5 智能控制軟件運行流程

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為解決礦井使用的DTL1500皮帶輸送機多電機功率不平衡問題，將上文所述智能控制系統(tǒng)應(yīng)用到電機控制中，并對電機運行情況進行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。從圖6中看出，采用智能控制系統(tǒng)后皮帶輸送機3臺電機電流變化曲線基本一致，差值較小，可實現(xiàn)多電機功率平衡。

圖6 電機運行監(jiān)測結(jié)果

現(xiàn)場應(yīng)用后，可在一定程度上提高皮帶輸送機運行可靠性及穩(wěn)定性，提高驅(qū)動電機使用壽命及穩(wěn)定性；同時通過智能控制實現(xiàn)皮帶輸送機軟啟動、軟制動，降低啟動或者制動對皮帶輸送機的機械沖擊；通過智能調(diào)速可降低皮帶輸送機運行能耗以及磨損，降低設(shè)備后續(xù)使用維護及維修等費用。

5 結(jié)論

1）大功率皮帶輸送機可滿足煤炭長距離、大運量運輸需要，但是在使用過程中面臨的電機功率不平衡問題，同時在設(shè)備啟動、制動期間造成的機械沖擊較為明顯，因此在使用過程中如何確保多電機功率平衡是現(xiàn)場應(yīng)用過程中需要重點解決的問題。

2）提出基于S120變頻器、S7-300PLC以及光纖網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成多電機智能控制系統(tǒng)，并通過電流互感器測量每個電機輸入電流，采用PID控制方法依據(jù)輸入電流監(jiān)測結(jié)果調(diào)整輸入電流，實現(xiàn)多電機輸入電流一致，達(dá)到功率平衡的目的。

3）將多電機智能控制系統(tǒng)進行現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，可滿足井下大功率多電機皮帶輸送機運行控制需要，不同電機點功率平衡；同時減少了皮帶輸送機能耗以及維護費用，現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用成果。