長距離皮帶輸送機變頻控制實踐應用

武 耀

（同煤集團馬道頭煤業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037000）

1 皮帶輸送機的特性分析

1.1 張力特性分析

在輸送機運輸煤炭時進行停車減速、啟動加速動作期間，運輸機上的皮帶會產(chǎn)生張力，而這種張力會形成一種較為復雜的運動力學，進而使整個系統(tǒng)出現(xiàn)疊帶、撒料、諧振條帶甚至是機械破壞、皮帶斷裂等嚴重現(xiàn)象，其根本原因是皮帶在作業(yè)中產(chǎn)生了一定的動態(tài)張力，動態(tài)張力會在皮帶上進行疊加并進行有害傳播，另一原因是存在于輸送機皮帶上的縱/橫向震動。為了有效解決輸送機出現(xiàn)的這種不穩(wěn)定情況，須對張力波造成的有害傳播進行有效抑制。

1.2 負載特性分析

在皮帶輸送機作業(yè)期間，會收到生產(chǎn)作業(yè)中形成的靜態(tài)、運動、附加阻力的影響，而阻力矩的構(gòu)成因素多且復雜，在實際中運用理論難以計算出這些因素。一般情況下，在對輸送的負載進行分析時，將電動機中的轉(zhuǎn)子軸所受力矩設為恒定值，其中包括傳動慣量以及各種阻力。對于負載特性，可以利用分段函數(shù)進行描述：

式中：TLe代表額定的負載力矩，N·m；TLq表示最大負載力矩，N·m；n1為額定負載時的轉(zhuǎn)速。公式（1）表明，當電動機達到n1轉(zhuǎn)速期間，負載趨向于TLe（恒力矩）[1]。

1.3 輸送機的驅(qū)動模型

為了建立輸送機的驅(qū)動模型，需要對輸送機運行階段的臨界狀態(tài)做出假設，即：當輸送機在運行階段出現(xiàn)皮帶在滾筒上打滑的臨界狀態(tài)時，皮帶的彈性變形、振蕩可以忽略，在這一過程中，皮帶線速v同主電極的轉(zhuǎn)速n就會產(chǎn)生一種固定比例的關(guān)系，即n=kv，其中k為常數(shù)。

在長距離皮帶輸送機進行作業(yè)的時候，產(chǎn)生皮帶劇烈振蕩的主要原因是皮帶輸送機啟動后的張力不能均勻分布，同時張力波會在皮帶上進行疊加和有害傳播，因此就需要對優(yōu)化后的S型曲線模型進行加速啟動。

實例中的馬道頭礦綜采工作面在生產(chǎn)中使用的長距離皮帶輸送機，由于距離較長，皮帶彈性有較大程度的累積，因此特對馬道頭礦綜采工作面輸送機的驅(qū)動模型在啟動之前設置預張緊過程。在對其進行改進并確定皮帶內(nèi)部的張力可以均勻分布后，以優(yōu)化的S型曲線模型為基礎進行加速啟動。式（2）為S型曲線模型：

式中：v0為皮帶的線速度，vm為額定帶速，T為皮帶輸送機的啟動周期，a 為加速度，t0、t1、t和 t2為時間點。在實際生產(chǎn)的過程中，長距離皮帶輸送機采用預張緊后的S曲線模型進行驅(qū)動，有效提高了低速性能、啟動性能，有效延長了啟動時間。

2 變頻驅(qū)動的應用

馬道頭礦綜采工作面采用的皮帶順槽長2023m，長度較大，因此采用多點變頻、系統(tǒng)集中控制的方法對輸送機進行驅(qū)動，該方案的組成部分涵蓋了上位機集中控制系統(tǒng)、變頻拖動控制和OLC控制系統(tǒng)。

2.1 變頻驅(qū)動系統(tǒng)組件

針對馬道頭礦綜采工作面距離較長、煤礦運梁巨大等特點，對工作面的皮帶輸送機的驅(qū)動系統(tǒng)采用光線變頻驅(qū)動系統(tǒng)。光纖變頻驅(qū)動系統(tǒng)包含3臺1 140 V/315 kW電機，同時采用“一拖一”抵押變頻方式對3臺電機進行控制。采用光纖傳輸?shù)倪B接方式來彌補皮帶頭部和中部驅(qū)動距離較遠的弊端，有效實現(xiàn)主從電機控制模式以及電機與電機之間的數(shù)據(jù)通訊。

馬道頭礦綜采工作面使用的皮帶輸送機，采用PLC的S7-200可編程控制系統(tǒng)對電機與電機、電機與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸進行控制。由PLC進行信號的采集、處理、控制以及接收工作。PLC的功能可劃分兩部分，一部分是接收現(xiàn)場多個變頻器發(fā)射的信號，隨后將信號傳送至上位機顯示，另一部分是PLC接收上位機發(fā)出的指令，隨機將指令發(fā)給作業(yè)現(xiàn)場的3個變頻器，變頻器接收到信號后根據(jù)指令執(zhí)行工作，從而實現(xiàn)對多個設備的集中控制。

通過使上位機和變頻器之間進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)了電極的軟啟動/停車、調(diào)速控制以及采集運行，另外還實現(xiàn)了將各種參數(shù)顯示在上位機中，例如故障狀態(tài)參數(shù)、電流參數(shù)、電壓參數(shù)以電機的轉(zhuǎn)數(shù)等[2]。

2.2 變頻驅(qū)動的功能

采用皮帶機多電機驅(qū)動，幾臺驅(qū)動電機之間的功率平衡、速度同步問題，是皮帶機能否正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。屯蘭礦工作面使用的皮帶機有效利用了變頻器具備的主從功能，實現(xiàn)了多臺電機速度同步、力矩平衡。

針對采用多臺電機驅(qū)動出現(xiàn)的速度、力矩不平衡現(xiàn)象，可以對控制系統(tǒng)進行調(diào)整：主傳動控制模式采用閉環(huán)速度控制方式，從傳動控制模式采用閉環(huán)力矩方式，將主傳動和從傳動利用光線進行連接以及對變頻器的參數(shù)進行合理的設置。

在輸送機進行采煤作業(yè)期間，若輸送機主傳動出現(xiàn)故障，可有效利用變頻器的連鎖控制，把從傳動自動提升為主傳動，如此即可確保輸送機持續(xù)、正常運行。

在多個驅(qū)動中選一臺設置成速度閉環(huán)控制，將其作為主傳動，其他驅(qū)動均作為從傳動并設置成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，這樣就形成了一套速度平衡并且多點功率平衡的傳動系統(tǒng)[3]。

3 結(jié)語

皮帶輸送機憑借其可靠性高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單的特性，在煤礦生產(chǎn)中已被廣泛應用，承擔著煤礦生產(chǎn)中轉(zhuǎn)載輸送的重要工作。隨著我國特大型礦井、長距離工作面開采數(shù)量日益增加，對煤炭運送量的要求更高，長距離皮帶輸送機也逐漸向著多點驅(qū)動技術(shù)、大功率方向發(fā)展。研究以變頻器作為輸送機調(diào)速的驅(qū)動裝置，可以使長距離輸送機在采煤作業(yè)中實現(xiàn)軟停車、軟啟動功能，并且對多個驅(qū)動點的速度、功率可以起到平衡的作用，同時還可以有效抑制皮帶輸送機作業(yè)期間的動態(tài)張力波，有效減少皮帶對運輸設備的危害，提高工作面煤礦運輸作業(yè)的整體效率。