基于變頻調(diào)速控制的皮帶運(yùn)輸機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

王惠杰

（陽(yáng)煤集團(tuán)二礦機(jī)電工區(qū)主運(yùn)隊(duì)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

在煤礦生產(chǎn)中，皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)是井下煤炭運(yùn)輸中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其優(yōu)化可從兩方面進(jìn)行，一是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，二是電氣系統(tǒng)的優(yōu)化[1]，本文以井下皮帶運(yùn)輸機(jī)為研究對(duì)象，主要討論電氣系統(tǒng)的優(yōu)化方案。該優(yōu)化方案包括變頻調(diào)速、CAN通信、聯(lián)動(dòng)控制、智能故障檢測(cè)四方面。

1 電氣系統(tǒng)

煤礦井下用皮帶運(yùn)輸機(jī)電氣系統(tǒng)主要包括主控制器PLC、PLC擴(kuò)展模塊、隔離柵、傳感器（如溫度傳感器、跑偏傳感器、撕裂傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器等）、繼電器、變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、通訊模塊、變頻器以及電源模塊等[2]。

主控制器PLC以及擴(kuò)展模塊是電氣系統(tǒng)控制的核心，該控制器控制能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)啟停、獲取系統(tǒng)數(shù)字輸入變量、模擬輸入變量、獲取故障信息等。各類傳感器負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)信息，供控制器進(jìn)行分析并作出判斷動(dòng)作，如溫度傳感器，該傳感器安裝于皮帶運(yùn)輸機(jī)的滾筒旁，用于檢測(cè)滾筒過(guò)熱，當(dāng)該數(shù)據(jù)值超過(guò)85℃時(shí)，即表明滾筒過(guò)熱，需要皮帶運(yùn)輸機(jī)停機(jī)檢查并排除故障。隔離柵能夠?qū)⒛M信號(hào)以及通信信號(hào)進(jìn)行隔離，使得PLC控制器獲取的信號(hào)更加穩(wěn)定[3]。人機(jī)界面用于皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵參數(shù)的顯示以及故障信息提示。

2 優(yōu)化方案1——變頻調(diào)速

煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)的控制方式大多數(shù)是工頻運(yùn)行，即只要皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)，無(wú)論皮帶上有無(wú)煤塊、也不管皮帶上煤塊的多少，皮帶運(yùn)輸機(jī)總是以恒速運(yùn)行，這樣帶來(lái)的一個(gè)最直接的問(wèn)題就是使得皮帶運(yùn)輸機(jī)的空載率大大增加，使用效率降低。為減少皮帶運(yùn)輸機(jī)的空載率，在原有的皮帶運(yùn)輸機(jī)電氣系統(tǒng)中增加一個(gè)變頻器，用于對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的變頻調(diào)速，同時(shí)需要在每一架皮帶機(jī)上增加一個(gè)重物測(cè)量傳感器，用于PLC控制器的控制策略[4]。

利用皮帶運(yùn)輸機(jī)每一架上安裝的重物測(cè)量傳感器，獲取當(dāng)前皮帶機(jī)上的煤量信息，根據(jù)煤量信息來(lái)控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而控制皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，這種方法需要設(shè)計(jì)控制算法，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較為困難。目前，采用較多的控制策略是將皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度分為高速、中速以及低速三種運(yùn)行方式。該控制策略在PLC控制器中容易實(shí)現(xiàn)。

3 優(yōu)化方案2——CAN通信

煤礦井下的皮帶運(yùn)輸機(jī)電氣系統(tǒng)中有許多傳感器，如跑偏傳感器、縱撕傳感器、煙霧傳感器以及溫度傳感器等，如果使用硬連接線進(jìn)行連接時(shí)，不僅使用線纜較多，而且接線、走線困難，遇到傳感器故障時(shí)，排查線纜也極為不方便。因此，本文提出一種CAN通信的優(yōu)化方案，如圖1所示。

圖1CAN通信優(yōu)化

在傳感器與PLC控制器之間增加一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，該采集器通過(guò)采集傳感器組的傳感器數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)以CAN通信的方式傳送給PLC控制器。在CAN通信中，數(shù)據(jù)采集器作為主站，PLC控制器為從站，站節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)定為2，波特率為250 kbit/s，采用CAN2.0A協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)幀[5]。數(shù)據(jù)采集器與PLC控制器的CAN通信協(xié)議格式定義如下頁(yè)表1所示。采用CAN通信設(shè)計(jì)后，只用CANH和CANLl兩條通信線不僅可以取代各個(gè)傳感器的線纜，而且減少PLC控制器的輸入節(jié)點(diǎn)，節(jié)省PLC擴(kuò)展模塊，降低電氣設(shè)計(jì)成本。

表1 數(shù)據(jù)采集器與PLC控制器CAN通信協(xié)議格式

4 優(yōu)化方案3——聯(lián)動(dòng)控制

煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)一般與破碎機(jī)配套使用，掘進(jìn)機(jī)或連采機(jī)將煤塊截割后，經(jīng)破碎機(jī)破碎成小塊，傳送給皮帶機(jī)進(jìn)行輸送。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)或破碎機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，如果皮帶機(jī)還處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)造成皮帶運(yùn)輸機(jī)的使用率降低，空載率增加；當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，如果掘進(jìn)機(jī)或連采機(jī)還處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)造成皮帶運(yùn)輸機(jī)上堆煤，甚至造成更大的隱患。應(yīng)設(shè)計(jì)一種皮帶運(yùn)輸機(jī)、掘進(jìn)機(jī)/連采機(jī)以及破碎機(jī)三者之間的聯(lián)動(dòng)控制，即：當(dāng)掘進(jìn)機(jī)/連采機(jī)故障時(shí)，不能啟動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)，對(duì)其閉鎖控制；當(dāng)破碎機(jī)故障時(shí)，不能啟動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)，對(duì)其閉鎖控制；當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障時(shí)，不能啟動(dòng)破碎機(jī)、掘進(jìn)機(jī)/連采機(jī)，對(duì)其閉鎖控制。該方案設(shè)計(jì)可在PLC控制器中軟件編程實(shí)現(xiàn)[6]。

5 優(yōu)化方案4——故障定位

煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)延伸距離長(zhǎng)，傳感器種類以及數(shù)量眾多，當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，必須在短時(shí)間內(nèi)確定故障信息并排除故障，因此，故障定位顯得尤為重要。圖2為優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的故障定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)中顯示的信息有故障信息、變頻調(diào)速信息、聯(lián)動(dòng)控制信息以及CAN通信信息，其中故障信息有傳感器故障、電機(jī)故障以及通信故障[7]。圖2中顯示的是堆煤傳感器故障，具體的堆煤傳感器位于10號(hào)架，這樣就可以精準(zhǔn)定位傳感器故障的位置。在PLC程序的處理中，需要將所有傳感器進(jìn)行分組，編號(hào)。如溫度傳感器分組為第五組，則每一個(gè)溫度傳感器可表示為5-1、5-2以此類推。

圖2 故障定位系統(tǒng)

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)電氣系統(tǒng)進(jìn)行了四方面的優(yōu)化，即皮帶電機(jī)的變頻調(diào)速、傳感器組與PLC控制器的CAN通信、皮帶運(yùn)輸機(jī)與破碎機(jī)、掘進(jìn)機(jī)/連采機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制以及故障定位功能。經(jīng)過(guò)煤礦井下工業(yè)性試驗(yàn)，該優(yōu)化方案能夠減少皮帶運(yùn)輸機(jī)的空載率，簡(jiǎn)化電氣系統(tǒng)接線，保證生產(chǎn)安全并能準(zhǔn)確定位故障發(fā)生地，提高了皮帶運(yùn)輸機(jī)的生產(chǎn)效率。