謝志清

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)元甲煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

帶式輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于煤礦井下輸送系統(tǒng)，將綜掘、綜采工作面開采出的煤料由井下傳送至井口。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程為恒速運(yùn)行，即以額定速度運(yùn)行，缺點(diǎn)為存在空載或者輕載時(shí)，電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重；存在重載或者超載現(xiàn)象時(shí)，對(duì)設(shè)備機(jī)械部件沖擊過大并縮短使用壽命[1]。為提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率，使得帶式輸送機(jī)帶速能夠根據(jù)負(fù)載變化自適應(yīng)調(diào)速，煤礦企業(yè)以及科研院校針對(duì)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)展開廣泛的研究，如文獻(xiàn)[2]基于DSP 控制器為核心部件，建立帶式輸送機(jī)帶速與負(fù)載動(dòng)態(tài)變化模型，以變頻驅(qū)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)自適應(yīng)調(diào)速；文獻(xiàn)[3]研究了帶式輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾變頻驅(qū)動(dòng)功率平衡問題，通過調(diào)節(jié)變頻驅(qū)動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)變頻驅(qū)動(dòng)方案。文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)研究了膠帶輸送機(jī)變頻調(diào)速方案，建立模糊PID 控制系統(tǒng)完成調(diào)速。文章以帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一主二從帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案，并在試驗(yàn)室環(huán)境完成帶式輸送機(jī)多種工況測試。

1 方案設(shè)計(jì)

煤礦用帶式輸送機(jī)包括機(jī)頭/機(jī)尾驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)滾筒、減速機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)裝置、皮帶帶面、機(jī)架托輥、皮帶張緊系統(tǒng)等裝置。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況需求，結(jié)合帶式輸送機(jī)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，為保障帶式輸送機(jī)安全、可靠、高效、平穩(wěn)運(yùn)行，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)：一是結(jié)合帶式輸送機(jī)使用工況，確定其運(yùn)量、帶寬、長度、帶速、帶強(qiáng)、軸功率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率等關(guān)鍵參數(shù)；二是根據(jù)帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，確定機(jī)頭/機(jī)尾驅(qū)動(dòng)裝置布置方式，為同軸四驅(qū)動(dòng)，一主兩從驅(qū)動(dòng)方式。為保證運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，選用ABB 公司ACS1000 變頻器[5-6]，并確定變頻器間通信方式為CAN 總線通信，變頻器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器之間選用通過CAN 總線通信連接，如圖1 所示。設(shè)計(jì)PLC 控制箱，其主要功能是與另外PLC 柜、變頻器、變壓器、操作平臺(tái)、集控平臺(tái)通信交換數(shù)據(jù)，進(jìn)行操作臺(tái)的功能設(shè)計(jì)，操作臺(tái)主要是便于帶式輸送機(jī)司機(jī)操作，盡可能發(fā)揮人機(jī)界面強(qiáng)大作用，準(zhǔn)確顯示每臺(tái)設(shè)備的主要狀態(tài)參數(shù)，并將每臺(tái)設(shè)備故障信息動(dòng)作記錄，方便處理故障，并對(duì)主要設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做好記錄。

圖1 帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)以西門子S7-300 CPU 為核心，硬件構(gòu)成如圖2 所示，核心CPU 模塊為CPU 315-2DP，由電源模塊PS307 提供DC24V 電源。根據(jù)帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)功能，需擴(kuò)展直流32 點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊SM321 一個(gè)、繼電器16點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊SM322 一個(gè)、通信模塊CP343-1一個(gè)，通信模塊CP340 一個(gè)。

圖2 帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件CPU 構(gòu)成

2 方案測試

2.1 帶式輸送機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒的電流、轉(zhuǎn)矩和速度曲線分析

根據(jù)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，觀察帶式輸送機(jī)在空載啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒的電流、轉(zhuǎn)矩和速度曲線的走勢分析。在啟動(dòng)初始階段時(shí)變頻器輸出電流只有激磁電流。電機(jī)激磁后，開始旋轉(zhuǎn)，因電流只有激磁電流，沒有負(fù)載的做功電流，所以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，同時(shí)在很小的范圍波動(dòng)。所以啟動(dòng)初始階段電流上升比較緩和。隨著電機(jī)的加速運(yùn)行，電流和轉(zhuǎn)矩因主要克服電機(jī)的加速會(huì)逐步加大，此時(shí)電機(jī)的電流主要為勵(lì)磁電流和克服電機(jī)加速度的電流，但是當(dāng)電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的電流就趨于勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)矩此時(shí)又會(huì)接近0[7-8]。所以帶式輸送機(jī)在空載啟動(dòng)加速時(shí)，能夠滿足驅(qū)動(dòng)力和速度變化的要求，如圖3 所示。

圖3 空載起動(dòng)力矩和速度曲線圖

2.2 帶式輸送機(jī)緊急制動(dòng)、正常停機(jī)情況下輸出的轉(zhuǎn)矩速度曲線分析

根據(jù)后臺(tái)監(jiān)控情況，詳細(xì)分析帶式輸送機(jī)分別在緊急制動(dòng)、正常停機(jī)情況下，驅(qū)動(dòng)滾筒輸出的轉(zhuǎn)矩變化情況、帶式輸送機(jī)速度曲線的變化情況。帶式輸送機(jī)停機(jī)時(shí)變頻器輸出電流會(huì)逐漸較小，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩變成反向的轉(zhuǎn)矩，此時(shí)把電機(jī)拉停，逐漸減到很小時(shí)，驅(qū)動(dòng)變頻器會(huì)封鎖輸出脈沖。同時(shí)由于變頻器的輸出電抗器的阻抗作用，電流會(huì)反向上升，短時(shí)間再逐漸降到0。根據(jù)帶式輸送機(jī)電流和力矩曲線分析，帶式輸送機(jī)出現(xiàn)緊急制動(dòng)、正常停車情況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全滿足輸出轉(zhuǎn)矩變化的要求，如圖4 所示。

圖4 停機(jī)時(shí)力矩和速度曲線圖

2.3 帶式輸送機(jī)負(fù)載量發(fā)生變化時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線分析

根據(jù)后臺(tái)監(jiān)控情況，在帶式輸送機(jī)負(fù)載量發(fā)生變化時(shí)，觀察電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線的變化。隨著帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸特性在搭接點(diǎn)逐步加載，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需電流也在逐步加大，因此變頻器輸出電流逐步加大，電流和轉(zhuǎn)矩都會(huì)比空載時(shí)大一些。隨著負(fù)載逐步緩慢加大，此時(shí)的電機(jī)電流不僅是勵(lì)磁電流，還需一部分電流克服負(fù)載做功，因此電流會(huì)逐步增加，轉(zhuǎn)矩也是如此。因此分析，帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩變化，能夠滿足帶式輸送機(jī)負(fù)載量的變化需求，并自動(dòng)平穩(wěn)調(diào)整，性能安全可靠，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

2.4 帶式輸送機(jī)加速、減速情況下曲線分析

根據(jù)后臺(tái)監(jiān)控帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況，測試分別在加速、減速情況下，分析變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度變化曲線、輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線，判定是否滿足要求。帶式輸送機(jī)速度的變化主要是存在于開機(jī)起動(dòng)加速和停機(jī)減速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度走向主要是跟隨變頻器給定的加速斜坡曲線，根據(jù)觀察，實(shí)際速度能夠根據(jù)變頻器的加速度緩慢上升或下降，直至速度達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，力矩根據(jù)加速度可靠變化，曲線走向穩(wěn)定、可靠，滿足帶式輸送機(jī)運(yùn)行需求。

2.5 帶式輸送機(jī)節(jié)能效果分析

在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)過程中，大部分時(shí)間帶式輸送機(jī)是不能滿載運(yùn)行的。輕載和空載的情況時(shí)有發(fā)生，這就存在電能損耗。帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝有變頻器，電機(jī)與減速器之間去掉了液力偶合裝置，是直接的硬聯(lián)接，空載起動(dòng)時(shí)，大大地提高了傳送效率，節(jié)約了能耗。實(shí)際運(yùn)行過程中它可以根據(jù)皮帶的實(shí)際載重量調(diào)節(jié)皮帶速度，降低能耗。在生產(chǎn)中，還會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)等現(xiàn)象，使用變頻器后，變頻器具有失電跨越功能，通過變頻器調(diào)節(jié)可以保證在電壓不穩(wěn)的情況下，有效減少停機(jī)次數(shù)，減小起動(dòng)能耗。

3 結(jié)語

基于西門子CPU315-2DP 為核心，設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)一主二從變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，以CAN 總線通信模式實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與變頻器之間、變頻器與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸；在試驗(yàn)試驗(yàn)環(huán)境中完成帶式輸送機(jī)空載啟動(dòng)、加減速、負(fù)載突變、正常運(yùn)行等多場景試驗(yàn)并分析電流、轉(zhuǎn)速、速度曲線變化規(guī)律；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠保證設(shè)備高效、節(jié)能、安全運(yùn)行。