長距離圓管帶式輸送機變頻驅動系統設計分析與實現

王珺

摘 要：采用西門子S7-400冗余PLC做為主控制器，利用Profibus-DP總線通訊組成控制網絡。同時長距離圓管帶式輸送機驅動采用變頻電機，選用ABB變頻器恒轉矩控制，合理的控制策略協調多臺電機的同步。皮帶保護裝置通過DUP-Line總線連接匯入控制系統，通過友好的人機界面實時反饋給運行人員現場系統運行狀態。

關鍵詞：變頻器；現場總線；主從控制

中圖分類號：TD528 文獻標識碼：A

1 項目概況

漳州古雷碼頭至騰龍熱電廠長距離輸煤系統，系統總長6km多（一條圓管式皮帶機5800m，兩條普通平皮帶300m）。項目建成后將完全取代現有汽車由碼頭至電廠的轉運過程，給整個熱電廠穩定運行提供燃料保證的同時，也對改善整個工業園區環境起到至關重要的作用。所以要求系統能夠處于長時間穩定運行狀態，這就要求控制系統穩定可靠，實時反映系統運行狀態，為運行人員和檢修人員提供準確的運行參數信息。

2 系統基本參數說明

運送物料：原煤

堆積密度：0.8t/m3

運輸量：2000t/h

機長：5800m

傾角：2.3°

提升高度：28m

帶寬：1900mm

帶速：4.5m/s

主機功率：6×800kW

主機電壓：690V

根據以上設計參數，驅動系統配置為皮帶機頭尾兩端驅動，電機采用無諧波變頻器輸出驅動。電機功率為每臺800kW，考慮到輸送機的啟動轉矩較大，故選用6臺容量為1000kVA的變頻器；并且每臺變頻器的的功率單元的電流值選為1020A，而每臺電機的額定電流為800A，完全滿足輸送機機啟動時的過載要求。6臺變頻器采用一拖一方式運行，即用6臺變頻器分別驅動6臺電機。示意圖如圖1所示。

3 管帶機驅動控制方式對比

多驅動圓管狀帶式輸送機的驅動控制方式主要分為機械式控制和電氣控制啟動：機械軟起動，主要代表是液力耦合器，這種方式主要的優點是控制點少，由于不需要控制系統控制，減少了控制策略的選擇；缺點是調試階段繁瑣，電機同步性差，多臺電機間的電流會有不同。電氣軟啟動器：減少液力耦合器，通過電機軟啟動器來控制電機的啟動斜率，幾臺電機同PLC控制系統協調同步策略。由于減少了液藕，機械維護環節減少；缺點是軟啟動器可調范圍比較小，對于長距離、多臺驅動電機的皮帶機系統容易出現調整范圍不夠靈活的情況。變頻器控制系統：啟動策略可以通過變頻器間通訊實現，響應速度快，多臺電機間的同步率高，可有效的保護系統在啟動階段對皮帶的損害。缺點是相對價格會偏高，配電系統相對復雜一些。

4 變頻電機同步策略的選擇

由于管帶機的頭部和尾部電機之間是特殊的軟連接關系，在直接投網運行時很容易出現兩電機輸出功率的偏差很大，即所謂的輸出功率不平衡的問題。不能處理好這個問題，既對電機產生損害，也對膠帶的使用壽命產生影響。在這個項目上我們選用如下同步策略：同驅動滾筒的兩臺驅動速度同步，不同驅動滾筒的三組驅動力矩同步。電氣主回路如圖2所示。

以TH2轉運站尾部兩臺電機為例，兩臺變頻器之間采用以太網絡形成點到點通信，相互之間傳送速度和力矩信號，主機1#變頻器是速度控制（speed）通過DP網絡或直接AI輸入點獲取系統設定的運行速度，從機2#變頻器采用轉矩控制（torque），通過以太網通信獲取1#主機的實際輸出力矩，動態跟隨主電機轉矩的變化而同步輸出相同力矩，保證兩臺電機負載平衡。在正常的運行范圍內，從機的速度調節器（speedcontroler）輸出為零，從機時刻跟隨主機的轉矩給定（torqueref1），保持了負載的平衡。TH4轉運站4臺電機與TH2相同配置，其中3、4#電機為一組，5、6#電機為一組，分別組成一組主從應用。

通過通信功能，可以完美實現每一組電機內部的負載分配和同步。為了實現三組傳動點之間的負荷分配，三組變頻器中的主機之間可以采用變頻器速度同步+力矩跟隨方式來完美實現，具體方案如下：1、3、5#變頻器同時接受DCS系統或上位機系統發出的相同的啟動命令和設定速度，同時，除了1#主機（可以根據工藝需要指定）外，3、5#變頻器內部的力矩環PID開始根據實際的輸出力矩進行計算，微量調整變頻器實際的輸出速度，使負載高的變頻器輸出速度略微降低，減少負載，而負載低的變頻器輸出速度略微升高，增加負載，以此來實現三組傳動點之間的負荷平衡。

5 PLC控制系統參與實現變頻器的主從控制

PLC控制系統是整個多機驅動帶式輸送機變頻調速系統的重要組成部分，它與變頻調速裝置配合實現了系統功能。本方案PLC控制系統核心器件采用西門子公司的step7-400H系列PLC，并采用冗余結構，保證系統可靠運行，控制部分主要包含以下設備：2個PLC主站（冗余），3個分布式I/O站和1套組態軟件。主站和從站間采用Profibus-DP總線通訊連接，由于頭部從站與尾部從站間的距離遠，通過光纖鏈路模塊將電信號轉化成光信號傳輸，來保證通訊速率達到要求。

同時皮帶機各保護儀表及保護裝置通過DUP-Line總線編碼地址后接入控制系統，很好的實現了對觸動保護裝置位置定位?？焖俣ㄎ唬皶r處理，減輕了運行、檢修人員日常巡檢的工作量。

結語

總之目前國內長距離皮帶輸送機越來越多，合理選擇控制系統既有利于系統穩定可靠運行，也有利于降低皮帶帶強，降低造價。本項目選擇變頻器驅動電機，很好的解決了多臺電機間的功率同步、速度一致的問題。也有效抑制帶式輸送機動態張力波可能對輸送帶和機械設備造成的危害，延長輸送機使用壽命，增加輸送系統的安全性和可靠性。因此變頻調速控制系統在長運距帶式輸送機中可以逐漸得到應用。

參考文獻

[1]譚棟才.基于總線通信變頻多點驅動控制系統在長距離下運式帶式輸送機上的應用[C].第三屆全國煤炭工業生產一線青年技術創新論壇，2008.