尚 學

（華陽集團七元公司，山西 壽陽045400）

引言

煤炭作為推動我國經濟社會發(fā)展的重要能源之一，近年來的需求量越來越大，煤炭生產作業(yè)日益繁重[1]。刮板輸送機是煤炭掘進工作不可或缺的輸送設備，只要煤炭掘進工作進行，刮板輸送機就要工作，啟動較為頻繁，同時在日常維護和故障排查時，經常還存在負載啟動的情況[2-3]。電機是刮板輸送機啟動動力的來源，頻繁啟動會使電機產生較大的瞬時電流，不僅不利于電機壽命的延長，還會極大增加電機的能源消耗，增加煤炭的成本，影響煤炭企業(yè)的經濟效益[4]。變頻驅動技術已在較多驅動系統(tǒng)中得到了應用，并取得很好的應用效果，對于刮板輸送機具有很好的借鑒意義[5-6]。針對某煤炭企業(yè)刮板輸送機恒速運行模式的現(xiàn)狀，開展啟動過程變頻驅動系統(tǒng)設計具有重要意義。

1 刮板輸送機概況

企業(yè)正在使用的刮板輸送機正式投產于2015年5月，設備配置如下：機頭位置設置2臺驅動電機，額定功率均為1 000 kW，機尾位置設置1臺電動機，其額定功率同樣為1 000 kW。機頭和機尾位置的3臺電機的額定電壓數(shù)值為3 300 V±12%，綜合輸送能力為3 500 t/h以上，鋪設的總長度接近320 m。到目前為止已經運行了6年多，并且隨著設備使用年限的增長，能耗逐年增加，現(xiàn)已引起了企業(yè)的關注，變頻控制技術的出現(xiàn)為企業(yè)節(jié)能降耗工作提供了新的方法，因此，企業(yè)同樣基于刮板輸送機現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，引進變頻調速技術，開發(fā)刮板輸送機啟動過程中的變頻驅動系統(tǒng)。刮板輸送機使用現(xiàn)場，如圖1所示。

2 系統(tǒng)方案設計

基于刮板輸送機當前的控制系統(tǒng)，引入變頻調速技術，設計完成了刮板輸送啟動過程變頻控制系統(tǒng)方案，如圖2所示。該系統(tǒng)在刮板輸送機啟動過程中能夠降低機頭和機尾位置電動機的啟動瞬時電流，使機頭和機尾電動機實現(xiàn)功率平衡。

圖1 刮板輸送機使用現(xiàn)場

圖2 刮板輸送機啟動過程變頻驅動控制系統(tǒng)方案

具體工作原理如下：刮板輸送機中的電機1、電機2和電機3的額定參數(shù)一致，機頭位置的電動機1和電動機2分別配置變頻器1和變頻器2，可編程邏輯控制器PLC實時采集獲取機頭和機尾位置的電動機電流數(shù)值，進一步分析處理獲取電動機的負載，之后發(fā)出電動機調速信號，實現(xiàn)刮板輸送機機頭和機尾位置電動機的調速啟動控制。

3 具體設計過程

3.1 功率平衡原理

3.1.1 功率平衡狀態(tài)

工作過程中刮板輸送機機頭電動機的實時電流數(shù)值標記為I1，由I1的數(shù)值可以分析得出機頭電機的實時負載，將機尾電動機的實時電流標記為I2，由I2的數(shù)值分析得出機尾電機的實時負載。當I1=I2時，說明刮板輸送機機頭電機和機尾電機均處于正常負載范圍，未發(fā)生過載故障，處于功率平衡狀態(tài)。功率平衡控制原理如下頁圖3所示。

圖3 功率平衡控制原理

3.1.2 功率平衡控制

當I1≠I2時，說明機頭和機尾位置電機存在過載或者欠載的情況，需要進一步識別判斷具體故障。當I1＞I2時，即機頭位置電動機工作電流大于機尾位置電動機電流，設置當I1-I2＞0.05I2時，判斷機頭電動機存在過載，此時PLC會發(fā)出控制變頻器1的信號，提高機頭電動機的轉速，讓機尾電動機分擔機頭負載，實現(xiàn)機頭電動機和機尾電動機的功率平衡。相反的，當I1＜I2時，即機頭位置電動機工作電流小于機尾位置電動機電流，設置當I2-I1＞0.05I1時，判斷機尾電動機存在過載，此時PLC會發(fā)出控制變頻器2的信號，提高機尾電動機的轉速，讓機頭電動機分擔機尾負載，實現(xiàn)機頭電動機和機尾電動機的功率平衡。

3.2 PLC控制系統(tǒng)

變頻控制系統(tǒng)的核心控制部件為PLC，結合刮板輸送機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，重新選擇了PLC控制器，型號為DX-MA01。該控制器具有高度集成，自帶多個輸入/輸出端口，輸出端能夠直接實現(xiàn)驅動功能。CPU使用的是32位的TC1796，采樣頻率高達150 MHz，能夠實現(xiàn)4 MB+80 kB的存儲量；輸入/輸出端口具有很好的可擴展性能，便于后續(xù)系統(tǒng)的繼續(xù)改進開發(fā)。

3.3 傳感器選型

電流傳感器作為刮板輸送機實時信號采集的主要元件，負責實時監(jiān)測機頭電動機和機尾電動機電流的任務，電流信號傳輸至PLC進行數(shù)據分析處理，即可得到刮板輸送機的實時運行載荷情況，因此其選型工作至關重要。結合實際需求選擇了型號為CSNR16Ⅰ的電流傳感器，能夠適用于煤礦井下較為惡劣的工作環(huán)境，同時具有監(jiān)測電流范圍大、響應時間短、精度高度優(yōu)勢。電動機速度監(jiān)測選擇型號為NJ4-12GM40-E的傳感器，它是一種三線制電感式速度傳感器，工作時的電壓為直流24 V，持續(xù)電流數(shù)值為200 mA。

3.4 變頻控制系統(tǒng)

刮板輸送機啟動過程電動機的變頻控制實現(xiàn)原理是以電流平均值直接實現(xiàn)轉矩控制，如圖4所示。由圖4可以看出，電流I1和電流I2分別代表刮板輸送機機頭和機尾電動機的定子電流，分析之后能夠得到各個電動機的轉矩負載情況，之后根據負載轉矩比與額定值的偏差來調節(jié)機頭、機尾電動機的轉速，達到機頭、機尾電動機功率平衡的目的。

圖4 變頻控制原理框圖

為了使刮板輸送機啟動過程可以按規(guī)定的速度曲線啟動，實現(xiàn)功率的平衡，在變頻控制系統(tǒng)基礎之上，對機頭電動機和機尾電動機的啟動順序和啟動時間進行了控制，能夠更好地改善變頻啟動時，機頭、機尾電動機功率不平衡的現(xiàn)象。

4 軟件控制實現(xiàn)

完成刮板輸送機啟動過程變頻驅動系統(tǒng)硬件設計工作之后開發(fā)軟件控制流程，以實現(xiàn)刮板輸送機啟動過程變頻控制功能，軟件控制流程如圖5所示，刮板輸送機啟動時，對機頭、機尾電動機進行功率平衡控制。具體控制流程如下：由PLC實時采集刮板輸送機機頭電動機和機尾電動機的電流I1和I2，并比較二者的差值ΔI=I1-I2。當I1=Imax時，需要進行三種情況的判斷分析，第一種是ΔI＜0.05Ie時，PLC控制器輸出變頻控制信號提高機頭電動機運行頻率；第二種是ΔI＞0.1Ie時，PLC控制器輸出變頻控制信號降低機頭電動機運行頻率；第三種是0.05Ie＜ΔI＜0.1Ie時，PLC控制器輸出變頻控制信號保持機頭電動機運行頻率。

圖5 刮板輸送機啟動過程功率平衡軟件流程

5 經濟效益分析

為了驗證刮板輸送機啟動過程變頻控制系統(tǒng)的設計效果，將其應用于某煤炭企業(yè)刮板輸送機進行試運行，跟蹤記錄控制系統(tǒng)運行情況。結果表明，該變頻控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了刮板輸送機機頭電動機和機尾電動機功率的平衡控制功能。原來恒速運行啟動方式，在運輸量3 000 t/h條件下，年運輸量2 000萬t的情況計算得到總耗電量費用約為225.40萬元，而變頻控制系統(tǒng)的投入使用，相同運行模式下計算得到的總耗電量費用約為191.00萬元，為煤炭企業(yè)節(jié)約耗電費用34.4萬元，大大降低了煤炭企業(yè)的運行成本。

6 結語

刮板輸送機作為煤炭企業(yè)正常開展工作的重要輸送設備，其控制系統(tǒng)的先進性直接關系的煤炭企業(yè)的運行成本。針對某煤炭企業(yè)刮板輸送機恒速運行模式的現(xiàn)狀，開展了啟動過程變頻驅動系統(tǒng)設計，試運行應用結果表明，變頻控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了刮板輸送機機頭電動機和機尾電動機功率的平衡控制功能。相同輸送煤量條件下，恒速控制啟動時年總耗電量費用約為225.40萬元，而變頻控制系統(tǒng)的投入使用，使年總耗電量費用降為191.00萬元，為煤炭企業(yè)節(jié)約耗電費用34.4萬元/年，降低了煤炭企業(yè)的生產成本，大大提高了煤炭的市場競爭力。