皮帶輸送機(jī)軟啟動(dòng)裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

安振軍

（山西省大同煤礦集團(tuán)公司同家梁礦，山西 大同 037003）

引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)在煤礦生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，其將朝著大運(yùn)量、長距離以及高功率的方向發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，皮帶輸送機(jī)不可避免地會(huì)遇到滿載或者帶負(fù)載啟動(dòng)，采用傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的沖擊，還會(huì)對(duì)工作面電網(wǎng)造成沖擊，繼而影響工作面其他機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行[1]。因此，皮帶輸送機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式會(huì)影響工作面機(jī)電設(shè)備的使用壽命。故，有必要將軟啟動(dòng)裝置應(yīng)用于皮帶運(yùn)輸機(jī)中。本文將對(duì)以行星差動(dòng)輪系為核心的軟啟動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 軟啟動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)分析

鑒于皮帶運(yùn)輸機(jī)在帶負(fù)載啟動(dòng)所遇到的問題，本文以行星差動(dòng)輪系為機(jī)械軟啟動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)該軟啟動(dòng)裝置的機(jī)電結(jié)合的軟啟動(dòng)控制方式。所謂機(jī)電相結(jié)合的軟啟動(dòng)控制方式為一種機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)集合了當(dāng)前傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)和機(jī)械控制技術(shù)為一體機(jī)的控制技術(shù)，其主要包括有機(jī)械部分和控制系統(tǒng)[2]，如圖1 所示。

圖1 機(jī)電結(jié)合的軟啟動(dòng)裝置控制框圖

如圖1 所示，軟啟動(dòng)裝置機(jī)械部分主要由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)速電機(jī)組成；控制系統(tǒng)主要由PLC 控制器、上位機(jī)以及變頻器等組成。其中，該軟啟動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部件核心為行星差動(dòng)輪系和調(diào)速電機(jī)，控制系統(tǒng)核心為PLC 控制器和變頻器。

2 軟啟動(dòng)裝置機(jī)械部件的設(shè)計(jì)

2.1 軟啟動(dòng)裝置行星差動(dòng)輪系的設(shè)計(jì)

皮帶運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)裝置機(jī)械部件的核心為行星差動(dòng)輪系，其傳動(dòng)原理如圖2 所示。

圖2 行星差動(dòng)輪系傳動(dòng)原理圖

根據(jù)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸要求，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)軟啟動(dòng)裝置各級(jí)齒輪及零部件的相關(guān)參數(shù)。本文所研究的皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)速為4 m/s，驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑為1 436 mm，對(duì)應(yīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)電機(jī)的額定功率為1 500 kW，其額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)處于滿足運(yùn)行工況時(shí)，其對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為985 r/min，輸出軸的轉(zhuǎn)矩值為2.0×105N·m，此時(shí)對(duì)應(yīng)至驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值為1.029×105kg·m2。

行星差動(dòng)輪系的輸出軸與皮帶運(yùn)輸機(jī)滾筒相連接，根據(jù)皮帶運(yùn)輸機(jī)的工作情況得出滾筒的轉(zhuǎn)速為：式中：v 為皮帶運(yùn)輸機(jī)的帶速，取4 m/s；D 為驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑，取1 436 mm。將數(shù)值代入公式計(jì)算得n1=53.23 r/min。

對(duì)應(yīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)在滿載工況下啟動(dòng)時(shí)，行星差動(dòng)輪系的傳動(dòng)比為：

式中：n 為皮帶運(yùn)輸機(jī)在滿載工況下對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取985 r/min；n1為皮帶運(yùn)輸機(jī)所需滾筒的正常轉(zhuǎn)速，取53.23 r/min。經(jīng)換算可得，差動(dòng)輪系的減速比為18.51。

為滿足皮帶運(yùn)輸機(jī)的重載運(yùn)輸要求，避免其在傳動(dòng)過程中軸向力對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，該軟啟動(dòng)裝置采用人字齒輪傳動(dòng)，并采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的調(diào)速電機(jī)和主電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制[3]。

2.2 軟啟動(dòng)裝置調(diào)速電機(jī)的選型設(shè)計(jì)

皮帶運(yùn)輸機(jī)共包含有主電機(jī)和調(diào)速電機(jī)兩個(gè)電機(jī)。其中，主電機(jī)主要承擔(dān)皮帶運(yùn)輸機(jī)的負(fù)載，為其提供相應(yīng)的功率；調(diào)速電機(jī)只應(yīng)用于設(shè)備在帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)負(fù)載大小實(shí)時(shí)對(duì)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

本文采用變頻控制原理對(duì)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速或功率進(jìn)行控制。經(jīng)研究可知：調(diào)速電機(jī)與主電機(jī)的功率比如式（3）所示：式中：f 為基頻，取50 Hz；f'為調(diào)速電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的頻率值；P'為調(diào)速電機(jī)的實(shí)時(shí)功率值，一般將P'控制在300 Hz 為最佳；P 為主電機(jī)的功率值。

結(jié)合皮帶運(yùn)輸機(jī)主電機(jī)功率為1 500 kW，經(jīng)換算可得對(duì)應(yīng)調(diào)速電機(jī)的額定功率值為250 kW。經(jīng)查閱相關(guān)手冊(cè)，最終選型調(diào)速電機(jī)的型號(hào)為Tk280-20/1210，該調(diào)速電機(jī)對(duì)應(yīng)的其他參數(shù)如表1所示。

表1 Tk280-20/1210 調(diào)速電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)

3 軟啟動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為保證以行星差動(dòng)輪系為核心的軟啟動(dòng)裝置能夠真正解決皮帶運(yùn)輸機(jī)帶負(fù)載或重載啟動(dòng)所遇到的問題，本文采用以PLC 控制器和變頻控制器為核心的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸軟啟動(dòng)功能的控制。具體控制原理如下：控制系統(tǒng)通過對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集到的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)信息進(jìn)行分析，將所得采集參數(shù)在上位機(jī)顯示的同時(shí)得出對(duì)應(yīng)的控制策略，通過變頻器對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)調(diào)速電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了皮帶運(yùn)輸機(jī)在重載狀態(tài)下的軟啟動(dòng)[4]。

3.1 軟啟動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

軟啟動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件包括有PLC控制器、變頻器以及調(diào)速電機(jī)。

3.1.1 PLC 控制器的選型

PLC 控制器的選型需綜合考慮其現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備輸入輸出點(diǎn)數(shù)、可靠性、適應(yīng)性、功能模塊化以及成本等因素。根據(jù)皮帶運(yùn)輸軟啟動(dòng)控制的功能要求，選用S7-200 系列的PLC 控制器。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)控制所需采集參數(shù)數(shù)字量、模擬量的個(gè)數(shù)以及控制參數(shù)的個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)型號(hào)為6ES7216 的CPU 模塊共包含有24個(gè)輸入點(diǎn)、16 個(gè)輸出點(diǎn)，滿足皮帶運(yùn)輸機(jī)帶負(fù)載軟啟動(dòng)的控制要求。

3.1.2 變頻器的選型

結(jié)合PLC 控制器和調(diào)速電機(jī)的選型結(jié)果，本控制系統(tǒng)選用西門子公司的MM420 通用變頻器對(duì)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。為精確獲取調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速電機(jī)的控制，本控制系統(tǒng)采用HKX101S 系列霍爾翼片式傳感器對(duì)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集。

3.2 軟啟動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC 控制器為軟啟動(dòng)裝置控制系統(tǒng)核心，其通過接收主電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、輸出轉(zhuǎn)速傳感器所采集到的參數(shù)信息以及其得到的軟啟動(dòng)、軟停車以及緊急停車等信息對(duì)變頻器進(jìn)行控制，從而對(duì)調(diào)速電機(jī)進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制[5]。因此，對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)裝置的啟動(dòng)程序而言，其對(duì)應(yīng)的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 軟啟動(dòng)裝置軟啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

如上頁圖3 所示，軟啟動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的核心在于通過PLC 對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而帶動(dòng)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，使得主電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，并根據(jù)實(shí)時(shí)工況采用給定曲線完成對(duì)調(diào)速電機(jī)的加速、減速控制。

4 結(jié)語

皮帶運(yùn)輸機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，為避免其在帶負(fù)載或者重載啟動(dòng)工況下對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)甚至其他綜采設(shè)備造成的沖擊，采用以行星差動(dòng)輪系為軟啟動(dòng)裝置的軟啟動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)重載或帶負(fù)載啟動(dòng)階段的控制，其控制核心為通過PLC 對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出對(duì)應(yīng)的控制策略，通過系統(tǒng)中變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速電機(jī)的控制，從而帶動(dòng)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的軟啟動(dòng)功能。