大功率皮帶輸送機(jī)多電機(jī)智能控制研究

楊仁偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

引言

皮帶輸送機(jī)是煤礦井下主要的運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行效率會(huì)直接影響井下煤炭運(yùn)輸工作的開展[1-2]。受以往礦井煤炭生產(chǎn)能力不高、采掘范圍近等限制，礦井建設(shè)時(shí)采用的皮帶輸送機(jī)多為單機(jī)驅(qū)動(dòng)，存在驅(qū)動(dòng)功率小、運(yùn)行速度不高以及負(fù)載能力差等問題[3-5]。隨著礦井生產(chǎn)能力以及采掘范圍增加，單機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)已無法滿足要求，多機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)在煤礦井下應(yīng)用呈增加趨勢。多機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)可顯著提升運(yùn)輸長度、負(fù)載，但是現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)也存在不同程度的功率不平衡問題，若不合理控制則會(huì)降低皮帶輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及使用壽命[6-7]。為此，本文對皮帶輸送機(jī)多機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，以期在一定程度上提高大功率皮帶輸送機(jī)運(yùn)行效率。

1 大功率皮帶輸送機(jī)概況

文中研究對象為山西某礦西翼運(yùn)輸大巷布置的型號DTL1500，機(jī)頭、機(jī)尾均布置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)。皮帶輸送機(jī)機(jī)構(gòu)包括有傳動(dòng)滾筒、托輥、張緊裝置、皮帶以及驅(qū)動(dòng)裝置等構(gòu)成，傳動(dòng)滾筒主要作用是向輸送帶傳送動(dòng)力；改向滾筒主要改變輸送帶方向；張緊裝置用以給輸送帶提供一定張緊力，確保滾筒與輸送帶密切貼合，避免出現(xiàn)打滑等故障。

在西翼運(yùn)輸大巷布置的皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸長度超過3 700 m，機(jī)頭布置2臺(tái)、機(jī)尾布置1臺(tái)，電機(jī)功率均為630 kW。采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)可有效解決皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)力不足問題，但是確保多電機(jī)功率平衡是需要重點(diǎn)解決的問題。

2 多電機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對DTL1500皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，并結(jié)合已有研究成果，提出的多電機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)中每個(gè)電機(jī)均配備一臺(tái)變頻器，采用變頻器可將相同電源輸出為不同頻率電源并為電動(dòng)機(jī)供電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

皮帶輸送機(jī)機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)供電來源于同一供電系統(tǒng)，不同電機(jī)供電電壓保持一致，在電壓相同情況下，輸出電流可直接反應(yīng)電機(jī)輸出功率，因此可通過調(diào)整電流對電機(jī)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在具體控制中，可通過電流互感器監(jiān)測電機(jī)輸入電流，并將監(jiān)測結(jié)果自動(dòng)傳輸給控制器進(jìn)行分析?？刂破魇紫扔?jì)算3臺(tái)電機(jī)輸入電流平均值，并基于該電流平均值采用差值法對驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。若控制器發(fā)現(xiàn)某臺(tái)電機(jī)輸入電流高于或者低于平均值時(shí)，會(huì)向變頻器發(fā)出控制指令自動(dòng)調(diào)整至電流輸入平均值。

2.1 啟動(dòng)及制動(dòng)方式

在啟動(dòng)及制動(dòng)階段若采用硬啟動(dòng)或者硬制動(dòng)方式，則會(huì)給皮帶輸送機(jī)帶來較大的機(jī)械沖擊，特別是處于重載階段時(shí)，造成的機(jī)械沖擊更為顯著，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)損傷。為此，提出采用軟啟動(dòng)以及軟制動(dòng)方式控制皮帶輸送機(jī)運(yùn)行?，F(xiàn)階段皮帶輸送機(jī)常用的軟啟動(dòng)模式包括有拋物線形、正弦啟動(dòng)形以及S曲線形，通過對不同的軟啟動(dòng)模式進(jìn)行比對分析發(fā)現(xiàn)S曲線形現(xiàn)場應(yīng)用表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢，可明顯降低啟動(dòng)過程中對皮帶輸送機(jī)的沖擊。

2.2 控制方法

采用PID控制方法對多電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，具體采用的PID控制原理如圖2所示，選用的控制方式為閉環(huán)控制，具備較高的控制精度。

圖2 PID控制原理

圖2中，r（t）表示人為或者系統(tǒng)給定電機(jī)輸入電流平均值；f（t）為電機(jī)實(shí)際輸入電流值；e（t）為實(shí)際電流與平均電流差值；u（t）為控制器分析后得到的電流調(diào)整值。變頻器可依據(jù)現(xiàn)場情況對輸入電流頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

3 智能控制系統(tǒng)硬件及軟件結(jié)構(gòu)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)智能控制系統(tǒng)中主要的硬件結(jié)構(gòu)包括有變頻器、控制器以及網(wǎng)絡(luò)硬件等。

3.1.1 變頻器

變頻器采用型號S120變頻器，變頻器輸入電流頻率50 Hz，輸出電流0～120 Hz可調(diào)。控制系統(tǒng)可基于S曲線對皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行精準(zhǔn)控制，避免重載啟動(dòng)或者制動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊。具體采用的S120變頻控制方案如圖3所示，電機(jī)功率平衡以及速度給定等均通過控制器完成，控制器與變頻器間用Profibus通信方式。

圖3 S120變頻控制方案

變頻器用以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)協(xié)調(diào)控制并實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)，按照S形曲線對電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。在啟動(dòng)及制動(dòng)過程中，設(shè)定的加速度控制在0.08 m/s2以內(nèi)。同時(shí)采用的S120變頻器可依據(jù)現(xiàn)場皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸量對運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便達(dá)到提高皮帶輸送機(jī)運(yùn)行效率并降低設(shè)備運(yùn)行能耗的目的。

3.1.2 控制器

多機(jī)智能控制系統(tǒng)采用的控制器（PLC）型號為S7-300型，PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，不同模塊間相互獨(dú)立并可隨意更換。S7-300型PLC在現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)出較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢，控制指令運(yùn)算速度控制在0.1～0.6 μs內(nèi)，控制性能優(yōu)越?？刂破鲀?nèi)置有多個(gè)集成功能，減小了后續(xù)使用期間人工編程量，并可對設(shè)備后續(xù)運(yùn)行過程中自身故障進(jìn)行監(jiān)測、診斷，并可自動(dòng)記錄故障類型及位置。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)硬件

為確?？刂葡到y(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，皮帶輸送機(jī)每個(gè)變頻器使用1個(gè)PLC進(jìn)行控制，3個(gè)PLC通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接，PLC與變頻器間通過Profibus-DP通信。具體皮帶輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。變頻器運(yùn)行過程獲取到的故障信號、控制信號等均會(huì)傳輸至PLC進(jìn)行分析，PLC內(nèi)置CPU 315-2DP模塊與光纖模塊連接，實(shí)現(xiàn)不同PLC間的數(shù)據(jù)傳輸，具體數(shù)據(jù)類型包括有電壓、電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。

圖4 智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 控制軟件

皮帶輸送機(jī)多電機(jī)智能控制軟件具體運(yùn)行流程如圖5所示。控制系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，首先判斷皮帶輸送機(jī)是否滿足啟動(dòng)條件，若滿足啟動(dòng)條件時(shí)則正常啟動(dòng)，否則應(yīng)立即停止運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)包括有自動(dòng)控制、就地控制兩種控制模式。

圖5 智能控制軟件運(yùn)行流程

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為解決礦井使用的DTL1500皮帶輸送機(jī)多電機(jī)功率不平衡問題，將上文所述智能控制系統(tǒng)應(yīng)用到電機(jī)控制中，并對電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。從圖6中看出，采用智能控制系統(tǒng)后皮帶輸送機(jī)3臺(tái)電機(jī)電流變化曲線基本一致，差值較小，可實(shí)現(xiàn)多電機(jī)功率平衡。

圖6 電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果

現(xiàn)場應(yīng)用后，可在一定程度上提高皮帶輸送機(jī)運(yùn)行可靠性及穩(wěn)定性，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用壽命及穩(wěn)定性；同時(shí)通過智能控制實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)，降低啟動(dòng)或者制動(dòng)對皮帶輸送機(jī)的機(jī)械沖擊；通過智能調(diào)速可降低皮帶輸送機(jī)運(yùn)行能耗以及磨損，降低設(shè)備后續(xù)使用維護(hù)及維修等費(fèi)用。

5 結(jié)論

1）大功率皮帶輸送機(jī)可滿足煤炭長距離、大運(yùn)量運(yùn)輸需要，但是在使用過程中面臨的電機(jī)功率不平衡問題，同時(shí)在設(shè)備啟動(dòng)、制動(dòng)期間造成的機(jī)械沖擊較為明顯，因此在使用過程中如何確保多電機(jī)功率平衡是現(xiàn)場應(yīng)用過程中需要重點(diǎn)解決的問題。

2）提出基于S120變頻器、S7-300PLC以及光纖網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成多電機(jī)智能控制系統(tǒng)，并通過電流互感器測量每個(gè)電機(jī)輸入電流，采用PID控制方法依據(jù)輸入電流監(jiān)測結(jié)果調(diào)整輸入電流，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)輸入電流一致，達(dá)到功率平衡的目的。

3）將多電機(jī)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，可滿足井下大功率多電機(jī)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行控制需要，不同電機(jī)點(diǎn)功率平衡；同時(shí)減少了皮帶輸送機(jī)能耗以及維護(hù)費(fèi)用，現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用成果。