礦井帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研究

趙 峰

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

引言

帶式輸送機(jī)作為我國煤礦企業(yè)重要的運(yùn)輸設(shè)備被廣泛應(yīng)用，隨著煤炭開采量的不斷加大，帶式輸送機(jī)逐步向著大跨距、大運(yùn)量方向發(fā)展。但隨著帶式輸送機(jī)的運(yùn)載能力的提升，其耗電成本占生產(chǎn)費(fèi)用的比重也在增大[1-2]。由于我國地質(zhì)條件的不均勻性，使得在進(jìn)行煤礦開采過程中的采煤量不是恒定值，所以帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中存在滿載和空載的情況，當(dāng)滿載時(shí)帶式輸送機(jī)的效率就高，反之較低，所以改善帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度與載重的配比情況對(duì)于提升帶式輸送機(jī)效率，降低運(yùn)輸成本十分重要[3-4]。本文基于變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為帶式輸送機(jī)速度與載重的協(xié)調(diào)提供一定的借鑒。

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)礦用帶式輸送機(jī)這種大馬拉小馬的情況，對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度與帶式輸送機(jī)的能耗呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，在實(shí)際運(yùn)行過程中，降低帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度能夠達(dá)到降能的目的。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中影響其運(yùn)行速度的因素，如運(yùn)載量、皮帶的寬度等。當(dāng)運(yùn)行速度降低時(shí)，此時(shí)的帶式輸送機(jī)的線密度增加，此時(shí)皮帶需要的張力增大，當(dāng)張力不足時(shí)會(huì)造成設(shè)備的損壞，所以在降低能耗的同時(shí)又能保障帶式輸送機(jī)的正常工作是本文研究的目標(biāo)。

帶式輸送機(jī)運(yùn)量與運(yùn)行速度間的關(guān)系如下：

式中：Q 為帶式輸送機(jī)運(yùn)載量，kg；v 為運(yùn)行速度，m/s；qm為帶式輸送機(jī)的線密度，kg/m。所以在不同階段內(nèi)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸量是不同的，所以通過檢測(cè)設(shè)備負(fù)載情況進(jìn)行速度的自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)帶速與載重量的匹配。

進(jìn)行帶式輸送機(jī)變頻控制的前提需要設(shè)計(jì)PLC智能調(diào)節(jié)器，PLC 根據(jù)采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而給出帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度，帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置選定為變頻驅(qū)動(dòng)。變頻控制系統(tǒng)主要由控制單元、執(zhí)行單元及檢測(cè)單元組成，其中控制單元為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，檢測(cè)單元為系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，執(zhí)行單元為系統(tǒng)控制的保障。

PLC 控制程序需要包括電機(jī)的控制程序、煤量的控制程序、節(jié)能調(diào)速控制程序、預(yù)警控制程序等。PLC控制主程序如圖1 所示。

圖1 PLC 控制主程序流程圖

從圖1 可以看出，PLC 控制主程序運(yùn)行過程為先進(jìn)行啟動(dòng)預(yù)警，對(duì)系統(tǒng)保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，沒有發(fā)現(xiàn)問題系統(tǒng)啟動(dòng)，啟動(dòng)為延遲啟動(dòng)，啟動(dòng)后對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)無需調(diào)速時(shí)，此時(shí)帶式輸送機(jī)以恒定速度運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)出存在功率和運(yùn)載量不匹配情況時(shí)，PLC 控制程序經(jīng)過邏輯計(jì)算輸出合理帶速，系統(tǒng)進(jìn)行帶速調(diào)節(jié)，帶式輸送機(jī)保持變頻運(yùn)行，直至結(jié)束工作。

功率平衡子程序是解決功率平衡重要的程序，其通過采集電機(jī)的運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行分析，確定是否需要調(diào)節(jié)功率，當(dāng)需要調(diào)節(jié)功率時(shí)，程序自動(dòng)對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的目的，功率平衡程序控制流程如圖2 所示。

圖2 功率平衡程序控制流程圖

從圖2 可以看出，功率平衡程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)采集電機(jī)的電流信號(hào)，系統(tǒng)計(jì)算平均電流Ip，分別比較變頻器電流與平均電流的大小，當(dāng)變頻器的電流與系統(tǒng)平均電流的比值大于95%時(shí)，此時(shí)降低變頻器的頻率，比值小于95%時(shí)增大變頻器的頻率，系統(tǒng)持續(xù)保持循環(huán)運(yùn)行，保證達(dá)到功率平衡。

節(jié)能調(diào)速子程序是系統(tǒng)對(duì)運(yùn)煤量及帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度信號(hào)分別進(jìn)行采集、分析、處理，并給出兩者相互匹配的運(yùn)行數(shù)值，節(jié)能調(diào)速子程序流程如圖3 所示。

圖3 節(jié)能調(diào)速子程序流程

系統(tǒng)從開始運(yùn)行后先對(duì)煤倉的煤位進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)煤量是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)煤量在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)運(yùn)量進(jìn)行檢測(cè)，給出帶速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，當(dāng)煤量不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)是低于還是高于設(shè)定值，從而得出給煤機(jī)的裝煤量，系統(tǒng)反復(fù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，變頻器作為控制執(zhí)行設(shè)備，其主要作用是將接收到的PLC 信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同的輸出頻率作用于帶式輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速。本文從安全的角度進(jìn)行考慮選定MVG-2000/10/6k 型變頻器作為本文設(shè)計(jì)的調(diào)速裝置，MVG-2000/10/6k 型變頻器具有過電流、過電壓、過熱和電機(jī)過載等保護(hù)功能，系統(tǒng)選用兩條帶式輸送機(jī)，每臺(tái)帶式輸送機(jī)選用3 個(gè)變頻器，所以系統(tǒng)共有6 個(gè)變頻器。變頻器額定容量為2 000 kVA，額定的輸入電壓為10 kV，額定的輸出電壓為6 kV，變頻器實(shí)物如圖4 所示。

圖4 變頻器實(shí)物展示圖

PLC 控制是整個(gè)控制單元的重要部分，PLC 主要用于采集運(yùn)行狀態(tài)信息及輸出控制信號(hào)，系統(tǒng)的PLC控制器選用ControlLogix5000 1756 控制器，Control-Logix5000 1756 控制器具備可編程功能，其主要是由電源模塊、核心CPU、通信模塊、模擬輸入、輸出模塊和I/O 模塊等。對(duì)綜合保護(hù)裝置進(jìn)行選型，選定KTC101-Z 作為綜合保護(hù)裝置，KTC101-Z 綜合保護(hù)裝置具備瞬時(shí)停車方式、設(shè)備互鎖及信號(hào)聯(lián)系，能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)的跑偏、打滑、撕裂及電機(jī)故障等事故的及時(shí)報(bào)警。KTC101-Z 綜合保護(hù)裝置是礦井專用的集控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部嵌入現(xiàn)場(chǎng)CAN 總線技術(shù)和PC104 控制，采用7 芯一線就可實(shí)現(xiàn)所有功能。

對(duì)帶式輸送機(jī)的PLC 控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用編程軟件RSlogix5000，對(duì)組態(tài)及監(jiān)控進(jìn)行編程，使得上位機(jī)通過界面就可實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別與監(jiān)控，發(fā)生故障后，可以立即定位發(fā)生故障的位置，當(dāng)發(fā)生故障較大，影響整體系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)立即停止運(yùn)行，進(jìn)行故障的排處，完成故障排處后，帶式輸送機(jī)恢復(fù)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)故障較小，不影響整體運(yùn)行時(shí)，此時(shí)帶式輸送機(jī)發(fā)出故障報(bào)警后繼續(xù)運(yùn)行，不影響帶式輸送機(jī)的整體效率。

將優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)帶速的變頻調(diào)節(jié)，有效解放了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了工作效率，降低了帶式輸送機(jī)皮帶的磨損，提升了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，為礦井開采成本的降低做出一定的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)語

本文通過分析帶式輸送機(jī)帶速與運(yùn)載量之間的關(guān)系，對(duì)帶式輸送機(jī)的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，給出了PLC 控制主程序、功率平衡子程序、節(jié)能調(diào)速子程序的控制流程圖及其工作原理，并對(duì)系統(tǒng)變頻器、PLC 控制器及綜合保護(hù)裝置的選型進(jìn)行分析，給出了帶式輸送機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，為礦井帶式輸送機(jī)的高效運(yùn)行提供一定的參考。