皮帶輸送機軟啟動裝置及其控制系統的設計

安振軍

（山西省大同煤礦集團公司同家梁礦，山西 大同 037003）

引言

皮帶運輸機在煤礦生產中被廣泛應用，其將朝著大運量、長距離以及高功率的方向發展。在實際應用中，皮帶輸送機不可避免地會遇到滿載或者帶負載啟動，采用傳統的啟動方式會對設備造成一定的沖擊，還會對工作面電網造成沖擊，繼而影響工作面其他機電設備的運行[1]。因此，皮帶輸送機帶負載啟動采用傳統啟動方式會影響工作面機電設備的使用壽命。故，有必要將軟啟動裝置應用于皮帶運輸機中。本文將對以行星差動輪系為核心的軟啟動裝置的控制系統進行設計。

1 軟啟動裝置結構分析

鑒于皮帶運輸機在帶負載啟動所遇到的問題，本文以行星差動輪系為機械軟啟動裝置，實現對該軟啟動裝置的機電結合的軟啟動控制方式。所謂機電相結合的軟啟動控制方式為一種機電一體化的控制系統，該控制系統集合了當前傳感器技術、電子控制技術和機械控制技術為一體機的控制技術，其主要包括有機械部分和控制系統[2]，如圖1 所示。

圖1 機電結合的軟啟動裝置控制框圖

如圖1 所示，軟啟動裝置機械部分主要由電機、傳動機構和調速電機組成；控制系統主要由PLC 控制器、上位機以及變頻器等組成。其中，該軟啟動系統的機械部件核心為行星差動輪系和調速電機，控制系統核心為PLC 控制器和變頻器。

2 軟啟動裝置機械部件的設計

2.1 軟啟動裝置行星差動輪系的設計

皮帶運輸機軟啟動裝置機械部件的核心為行星差動輪系，其傳動原理如圖2 所示。

圖2 行星差動輪系傳動原理圖

根據皮帶運輸機的運輸要求，設計對應軟啟動裝置各級齒輪及零部件的相關參數。本文所研究的皮帶運輸機的運速為4 m/s，驅動滾筒的直徑為1 436 mm，對應皮帶運輸機電機的額定功率為1 500 kW，其額定轉速為1 000 r/min，當皮帶運輸機處于滿足運行工況時，其對應電機的轉速為985 r/min，輸出軸的轉矩值為2.0×105N·m，此時對應至驅動滾筒的轉動慣量值為1.029×105kg·m2。

行星差動輪系的輸出軸與皮帶運輸機滾筒相連接，根據皮帶運輸機的工作情況得出滾筒的轉速為：式中：v 為皮帶運輸機的帶速，取4 m/s；D 為驅動滾筒的直徑，取1 436 mm。將數值代入公式計算得n1=53.23 r/min。

對應皮帶運輸機在滿載工況下啟動時，行星差動輪系的傳動比為：

式中：n 為皮帶運輸機在滿載工況下對應電機的轉速，取985 r/min；n1為皮帶運輸機所需滾筒的正常轉速，取53.23 r/min。經換算可得，差動輪系的減速比為18.51。

為滿足皮帶運輸機的重載運輸要求，避免其在傳動過程中軸向力對系統造成的沖擊，該軟啟動裝置采用人字齒輪傳動，并采用蝸輪蝸桿的傳動方式對皮帶運輸機的調速電機和主電機進行調速控制[3]。

2.2 軟啟動裝置調速電機的選型設計

皮帶運輸機共包含有主電機和調速電機兩個電機。其中，主電機主要承擔皮帶運輸機的負載，為其提供相應的功率；調速電機只應用于設備在帶負載啟動時，根據負載大小實時對調速電機的轉速進行控制。

本文采用變頻控制原理對調速電機轉速或功率進行控制。經研究可知：調速電機與主電機的功率比如式（3）所示：式中：f 為基頻，取50 Hz；f'為調速電機在最大轉速下對應的頻率值；P'為調速電機的實時功率值，一般將P'控制在300 Hz 為最佳；P 為主電機的功率值。

結合皮帶運輸機主電機功率為1 500 kW，經換算可得對應調速電機的額定功率值為250 kW。經查閱相關手冊，最終選型調速電機的型號為Tk280-20/1210，該調速電機對應的其他參數如表1所示。

表1 Tk280-20/1210 調速電機的關鍵參數

3 軟啟動裝置控制系統的設計

為保證以行星差動輪系為核心的軟啟動裝置能夠真正解決皮帶運輸機帶負載或重載啟動所遇到的問題，本文采用以PLC 控制器和變頻控制器為核心的控制系統實現對皮帶運輸軟啟動功能的控制。具體控制原理如下：控制系統通過對皮帶運輸機現場傳感器所采集到的設備運行參數信息進行分析，將所得采集參數在上位機顯示的同時得出對應的控制策略，通過變頻器對皮帶運輸機調速電機進行控制，從而實現了皮帶運輸機在重載狀態下的軟啟動[4]。

3.1 軟啟動裝置控制系統的硬件設計

軟啟動裝置控制系統的關鍵硬件包括有PLC控制器、變頻器以及調速電機。

3.1.1 PLC 控制器的選型

PLC 控制器的選型需綜合考慮其現場控制設備輸入輸出點數、可靠性、適應性、功能模塊化以及成本等因素。根據皮帶運輸軟啟動控制的功能要求，選用S7-200 系列的PLC 控制器。結合現場控制所需采集參數數字量、模擬量的個數以及控制參數的個數，對應型號為6ES7216 的CPU 模塊共包含有24個輸入點、16 個輸出點，滿足皮帶運輸機帶負載軟啟動的控制要求。

3.1.2 變頻器的選型

結合PLC 控制器和調速電機的選型結果，本控制系統選用西門子公司的MM420 通用變頻器對調速電機的轉速進行控制。為精確獲取調速電機的轉速，實現對調速電機的控制，本控制系統采用HKX101S 系列霍爾翼片式傳感器對調速電機的轉速進行采集。

3.2 軟啟動裝置控制系統的軟件設計

PLC 控制器為軟啟動裝置控制系統核心，其通過接收主電機轉速傳感器、輸出轉速傳感器所采集到的參數信息以及其得到的軟啟動、軟停車以及緊急停車等信息對變頻器進行控制，從而對調速電機進行控制，最終實現對皮帶運輸機傳動機構的控制[5]。因此，對于皮帶運輸機軟啟動裝置的啟動程序而言，其對應的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 軟啟動裝置軟啟動程序設計

如上頁圖3 所示，軟啟動裝置控制系統的核心在于通過PLC 對變頻器實現對調速電機轉速的控制，進而帶動主電機的轉速的控制，使得主電機轉速滿足實際生產需求，并根據實時工況采用給定曲線完成對調速電機的加速、減速控制。

4 結語

皮帶運輸機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，為避免其在帶負載或者重載啟動工況下對皮帶運輸機甚至其他綜采設備造成的沖擊，采用以行星差動輪系為軟啟動裝置的軟啟動系統實現對皮帶運輸機重載或帶負載啟動階段的控制，其控制核心為通過PLC 對所采集數據進行處理得出對應的控制策略，通過系統中變頻器實現對調速電機的控制，從而帶動主電機的轉速，最終實現皮帶運輸機的軟啟動功能。