PVD智能驅動技術在鏡鐵山礦4#、5#皮帶機上的研究應用

楊 海

目前我國經濟快速發(fā)展，工業(yè)不斷進步，科技不斷提高，帶式輸送機在生產和生活中的應用越來越廣泛，對帶式輸送機的控制技術的要求也在逐漸提升。帶式輸送機在工作時，需要對物料進行合理的輸送和裝卸，所以在輸送過程中，必須保證其具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，這就要求我們對輸送機的運行工況有一定的了解并能夠及時發(fā)現問題，從而采取有效的措施來解決這些問題，使其可以正常運轉下去。

PVD智能控制系統(tǒng)的主要目的就是通過對輸送帶的合理布置，實現對輸送機的自動控制，使其能夠在惡劣工作環(huán)境下進行正常的運行作業(yè)，從而提高生產效率，保證安全可靠地完成各種工件的傳送任務。因此PVD智能驅動控制系統(tǒng)根據不同的工況和要求，實時監(jiān)控和調整的智能控制系統(tǒng)，來達到這一目標。在整個過程中，智能控制系統(tǒng)的核心是PVD智能控制系統(tǒng)，它是將多種測量信號轉換成電脈沖的裝置從而實現控制目標，最終實現運輸機械的電氣設備就可以按照設定的程序來執(zhí)行。該系統(tǒng)的應用范圍為一般的煤礦井下，礦難的深度深井，以及一些復雜的工程項目。

1 PVD智能驅動與控制系統(tǒng)

1.1 PVD系統(tǒng)總體結構圖

針對傳統(tǒng)帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)中存在的不足和問題，采用新技術、新產業(yè)、新業(yè)態(tài)進行了探索與嘗試。改變傳統(tǒng)帶式輸送機的驅動方式，采用永磁直驅系統(tǒng)方式，構建基于PVD智能驅動與控制系統(tǒng)的礦用皮帶機電氣控制系統(tǒng)，能夠為皮帶機的穩(wěn)定運行提供良好保障。PVD智能驅動與控制系統(tǒng)總體結構如下圖1所示。

圖1 PVD智能驅動與控制系統(tǒng)結構圖

1.2 PVD智能驅動與控制系統(tǒng)原理

為實現帶式輸送機的PVD智能控制，首先需要對輸送線路的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，通過監(jiān)控系統(tǒng)的檢測結果，來判斷故障的具體位置，并及時采取相應的措施對其進行維修，保證輸送過程的安全可靠，同時也可以提高輸送的效率和質量。在整個PVD智能控制系統(tǒng)中，傳感器是核心部分，它主要是將各種信息轉換成電信號，然后將這些電信號輸送到控制系統(tǒng)中，再由PID算法計算出皮帶的運動速度和位移，從而完成皮帶上的精確跟蹤。

1.3 鐵山礦4#、5#皮帶機控制系統(tǒng)需求

鏡鐵山礦4#、5#皮帶機控制系統(tǒng)主要是通過對輸送帶式輸送機的研究與計算，來實現對輸送帶的自動控制，從而提高了工作效率，降低了生產成本，保證了安全可靠。在整個過程中，需要進行多方面的分析與比較，并結合實際情況，確定出最終的方案。同時要考慮到不同的環(huán)境因素，比如溫度、濕度、粉塵等，還要充分了解這些影響的原因所在，并根據這些問題，提出可行的解決方案和改進措施。在設計的開始階段，首先要明確設計的目的及意義，然后再針對所遇到的困難以及存在的難題制定合理的解決方法，最后再將具體的步驟一步步實施。

2 鏡鐵山礦樺樹溝破運系統(tǒng)4#、5#皮帶機現狀

2.1 4#、5#皮帶機現狀

鏡鐵山礦4#、5#皮帶機機械傳動系統(tǒng)為1971年設計安裝，使用時間較長，傳動系統(tǒng)老化，各部件均有不同程度損壞，故障點較多，維護難度較大，頻繁造成生產中斷，影響礦石輸出，同時故障處理必須更換大件，檢修非常困難，大型備件的更換嚴重威脅檢修人員的安全。4#皮帶目前為直接啟動方式啟動，沒有任何降壓措施，對設備損壞較大，同時不能滿足目前電機保護啟動要求；5#皮帶電機為繞線式電機，目前啟動方式為水電阻降壓啟動，電氣控制系統(tǒng)老化嚴重，部分電氣備件斷貨供給，維護保養(yǎng)困難，急需對4#、5#皮帶傳動系統(tǒng)進行升級改造，消除設備設施安全隱患，保證設備、人員安全可靠運行。

2.2 4#、5#皮帶機現場運行環(huán)境

鏡鐵山礦樺樹溝破運系統(tǒng)4#、5#皮帶機傳動系統(tǒng)的使用地點為酒鋼集團鏡鐵山礦，現場的運行條件較為惡劣，粉塵大且噪音也大，環(huán)境的平均溫度低于30℃；周圍的環(huán)境濕度常年保持在95%左右，海拔高度小于1000m；主供電電壓在380V左右，上下浮動值保持在±10%，輔助供電電壓380V。

2.3 4#、5#皮帶機現場運行參數

鏡鐵山礦樺樹溝破運系統(tǒng)4#、5#皮帶機主要用于運輸鐵礦石，平均每小時的運送噸位在700t左右，4#皮帶機輸送長度為280m，5#皮帶機輸送長度為330m，4#、5#皮帶機的運輸傾角（提升高度）在8°，帶寬與帶速分別為1.4m/s，1.6m/s。皮帶機的托輥直徑為Φ108mm，上/下托輥間距分別為1.2m，3m。傳動滾筒直徑分別為Φ1250mm，Φ1400mm。輸送帶規(guī)格型號統(tǒng)一為鋼絲繩芯阻燃輸送帶ST/S1600，4#、5#皮帶機每天運行16h、每年運行天數約為300天，4#、5#皮帶機在頭部集中驅動，在頭部卸料。

3 PVD智能驅動與控制系統(tǒng)應用

帶式輸送機用PVD智能驅動與控制系統(tǒng)（簡稱PVD系統(tǒng)）是精基科技有限公司針對散狀物料運輸系統(tǒng)的驅動及智能化控制提供的一攬子解決方案。PVD智能驅動與控制系統(tǒng)由永磁直驅、變頻及智能控制三大核心技術組成。主要核心部件包括永磁變頻同步電動機、變頻器、智能控制裝置。外圍輔助設備包括水冷裝置、逆止器、聯(lián)軸器、盤式制動器以及張緊裝置等。

3.1 PVD4#、5#皮帶機系統(tǒng)設備配置

由于4#、5#帶式輸送機的工作環(huán)境比較惡劣，所以需要在運行過程中提供足夠的電流進行供電，因此必須選擇合適的直流電源，但是在實際的設計和應用中，一般都是通過變壓器來實現提供給皮帶輸送機的交流電力，而直流調壓調速器則是由雙速電機來完成的一臺交流電源的輸出電壓的目的也就是為皮帶上的物料提供給所需的電容量，從而保證了皮帶上的料流不會受到外部電網波動的影響。4#、5#帶式輸送機永磁變頻直驅系統(tǒng)改造方案主要包括以下設備，如下表1所示。

表1 4#、5#帶式輸送機設備清單

3.2 4#、5#皮帶機PVD系統(tǒng)介紹

3.2.1 4#、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制系統(tǒng)功能

為了能夠實現4#、5#帶式輸送機智能控制系統(tǒng)的控制要求，在軟件方面進行結合實際情況，采用了一種基于PVD的智能控制方式，這種系統(tǒng)的運行原理是通過程序來完成的；同時，利用該控制系統(tǒng)的實時性、可控性和可靠性，還可以對整個過程的各個環(huán)節(jié)實施監(jiān)控，從而達到對整體運行進行有效的管理和調控。

4#、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制系統(tǒng)的主程序主要是對輸送機的運行過程進行控制的程序段，其在整個控制系統(tǒng)中起著核心的作用，它通過對傳感器的信號采集，然后將數據傳輸到控制系統(tǒng)中，再由控制系統(tǒng)的內部定時器來完成，并在液晶屏上顯示相應的時間和距離，同時還可以設置溫度和速度等參數，并啟動延時功能，使之進入正常的工作狀態(tài)。在PVD智能驅動與控制的運行之前，首先要做的就是初始化，即當輸送帶運轉起來后，先按下開機鍵，先檢測是否有驅動電機轉動，如果有，則會發(fā)出指令，讓輸送帶上的相關位置的裝置松開，直到停止動作。其次，要做的就是根據實際情況，設定好各個部分的具體值，比如說，傳送帶上的張力、托輥的摩擦力以及皮帶上的拉緊機構的行程等，并且還要實時的監(jiān)測這些部件的變化趨勢，以便及時地采取措施。同時設計人員為了提高4#、5#帶式輸送機的自動化程度，引入了人機界面，讓其能夠有效地工作。

3.2.2 4#、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制系統(tǒng)功能結構圖介紹

4#、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)都由變頻器、永磁同步變頻電動機、電動機水冷裝置及相關附件、PVD專用控制箱等組成，唯一不同的是5#帶式輸送機增加了1套熱備用驅動。4、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制系統(tǒng)結構圖如下圖2、圖3所示。

圖2 4#帶式輸送機PVD智能驅動與控制系統(tǒng)結構圖

圖3 5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制系統(tǒng)結構圖

變頻器由低壓配電裝置（用戶自備）供電，變頻器通過電力電纜與永磁同步變頻電動機連接。電動機采用外循環(huán)水冷裝置實現冷卻。PVD智能控制箱監(jiān)控系統(tǒng)內各設備，實現帶式輸送機PVD系統(tǒng)的軟啟（制）動功能，并實現系統(tǒng)內各設備的保護功能。控制箱可通過通訊光纜與帶式輸送機集控系統(tǒng)實現相互通訊。

3.2.3 4#、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制磁同步變頻電動機介紹

永磁同步變頻電動機的選型與傳統(tǒng)三相異步電動機略有不同。電動機應用于生產機械中主要考核輸出轉矩是否能夠拖動負載轉矩。

在三相異步電動機中，電動機額定轉速是確定的，三相異步電動機的極數通常為4、6級，對應電動機轉速為確定的1500r/m、1000r/m；同時，根據負載運行速度確定減速器后，減速器速比是不可變的，因此根據生產機械所需驅動轉矩即可很方便的確定電動機的額定功率。

永磁同步變頻電動機為直接驅動系統(tǒng)，在滿足生產機械驅動轉矩后，電動機的功率與轉速均為可變參數。因此在選擇永磁同步變頻電動機時，不僅要考慮電動機功率，還需考慮電動機的額定輸出轉速。由于永磁同步變頻電動機額定轉速下恒轉矩輸出的特性，因此永磁同步變頻電動機的實際工作轉速并不完全等于電動機的額定轉速。

3.2.4 4#、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制盤式制動器、逆止器的安裝

4#與5#帶式輸送機均為上運布置型式，為保障運行安全，建議配置DSN050型逆止器1套，配置KPZ1200/107型盤式制動器1套。

為滿足逆止器及盤式制動器的安裝，傳動滾筒可采用雙出軸結構，此時逆止器及盤式制動器可采用以下安裝方式。5#帶式輸送機如變更2套傳動滾筒，其安裝方式見下圖。

圖4 4#帶式輸送機安裝結構圖

圖5 5#帶式輸送機安裝結構圖

圖6 5#帶式輸送機傳動滾筒示意圖

4 PVD智能驅動與控制系統(tǒng)的應用效果分析

4.1 PVD智能驅動與控制系統(tǒng)應用后的特點

（1）節(jié)能環(huán)保，降低設備運行費用。

（2）減少運行維護工作量，降低運行維護成本，提升礦井生產效率。

（3）可靠性高，設備運行有效時間長，提升礦井生產效率。

（4）低速大轉矩啟動能力，過載能力強。

（5）避免電網及機械沖擊。

4.2 PVD智能驅動與控制系統(tǒng)的應用效果分析

為了驗證PVD智能驅動與控制系統(tǒng)的應用效果，對4#、5#帶式輸送機PVD智能驅動與控制進行了應用后的分析，通過分析可知：采用PVD智能驅動與控制系統(tǒng)后，PVD智能驅動與控制系統(tǒng)提前分析轉速，從PVD智能驅動變頻器輸出電機的出力從而控制4#、5#帶式輸送機運行狀態(tài)，進而實現4#、5#帶式輸送機電機驅動功率與扭距的平衡，該系統(tǒng)投運后，通過監(jiān)測、計算發(fā)現4#、5#帶式輸送機平均日耗電量明顯下降，在投運前，4#、5#帶式輸送機運行過程中出現的電機堵轉、傳送帶跑偏、電能質量下降、功率因素降低等現象得到明顯的控制，帶式輸送機的作業(yè)效率、穩(wěn)定性及經濟運行性得到了大幅提升，得到了現場作業(yè)人員的一致認可，減輕了檢修人員與操作人員日常的工作量。

5 結論

通過對4#、5#皮帶電氣控制系統(tǒng)及機械傳動系統(tǒng)的智能驅動改造，電氣保護系統(tǒng)更加完善，機械控制系統(tǒng)更加可靠，有效保證了皮帶輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定順行，同時降低了關鍵重點設備故障，減少了職工維修任務，有效保證了設備及人員安全。綜上所述，在PVD帶式輸送機的智能控制系統(tǒng)應用下，使其能夠更好地服務于現場工作人員，解決了現場實際問題且4#、5#皮帶機耗電量下降，同時明顯的提高了4#、5#皮帶機輸送的穩(wěn)定性，未來設計人員可以將人工智能引入到控制系統(tǒng)中，從而使其更加智能化，更有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，同時也要避免出現誤差，以確保機器的安全可靠。