斜井皮帶機控制系統改造分析與實踐

連紅飛

(潞安礦業集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

1 問題的提出

王莊煤礦主斜井原煤提升系統采用皮帶機提升，將井下生產出的原煤由井下630水平提升至地面，其概況如下：鋼絲繩芯膠帶機型號為DX4000，帶速為4.8 m/s，運量為1 000 t/h，膠帶寬度為1 200 mm，總長度為1 304.5 m，傾角為16°，驅動滾筒直徑為Φ1 600 mm，電機數量為3臺，采用型號為ATSA-450-LX-06A的繞線式異步電動機，功率為630 kW，定子電壓為6 kV，定子額定電流為76 A。主斜井皮帶機提升系統布置如圖1所示。

圖1 主斜井皮帶機提升系統布置示意圖

皮帶機電控系統為TKM-PLC轉子串電阻啟動電控系統，于2005年投入使用。此類電控系統存在電耗高、故障率高、啟動不平穩、不節能等問題，重載啟動對皮帶機系統有較大的機械和電氣沖擊，尤其隨著使用年限的增加，故障率逐步升高，一定程度上影響了安全生產。為此，必須對主斜井皮帶機控制系統進行改造。鑒于王莊礦主斜井皮帶機的上述特點，要求改造后的控制系統必須實現以下功能：

(1)軟啟動。軟啟動指的是利用機械、電氣等手段，通過延長設備啟動時間，取得斜率較小的啟動加速度曲線，使設備在啟動全過程中避免受到沖擊。王莊礦主斜井皮帶機長度達1 304.5 m，由于電源斷電、故障停機等原因，經常需要滿負荷重載啟動，要求啟動力矩較大的同時啟動電流保持在合理的范圍內。采用軟啟動，可有效減少對皮帶機的機械沖擊及對電機等設備的電氣沖擊，延長設備使用年限，減少故障率。

(2)低速驗帶。礦井每天停產2 h時間，對皮帶機進行檢修、驗帶，并探測膠帶內鋼絲繩的斷絲情況，此時，皮帶機需要以0.5 m/s的速度運行。

(3)自動平衡3臺電機功率。皮帶機采用3臺電機拖動，實際運行中經常出現問題：雙電機滾筒和單電機滾筒由于包膠層磨損不一致，或者由于其中一個滾筒損壞更換新滾筒后，導致雙驅滾筒和單驅滾筒的直徑出現差異，3臺電機的功率嚴重不平衡。所以，新的控制系統必須實現3臺電機功率的自動平衡。

2 驅動技術的選擇

根據上述要求，對驅動控制技術進行選擇。目前，能實現上述功能且較先進的驅動控制方式主要有變頻驅動控制和CST驅動控制。CST是美國道奇公司生產的一種帶濕式離合器和電液控制技術的齒輪減速器，可實現上述各種功能，且性能優良，啟動和停機平穩，傳動效率高，可自動平衡電機功率，但由于其安裝尺寸和現有設備基礎完全不一致，必須停產后重新制做基礎，停產時間約需一個月左右，故該方式不具備操作性。變頻器可以靈活布置，技術先進，保護齊全，可實現軟啟動軟停車，不需要制做專門的安裝基礎。目前，無論國內還是國外，高壓變頻器技術已非常成熟，因此，選擇變頻器驅動控制作為此次改造的技術方案。

由于皮帶機為上運式，恒力矩負載，選用兩象限交直交電壓型變頻器，控制方式采用直接轉矩控制。

2.1 單拖和群拖的選擇

群拖指一拖三，即采用一臺大容量變頻器同時驅動3臺電機。

單拖指一拖一，即選擇3臺小容量變頻器，一臺變頻器僅驅動一臺電機。

由于皮帶機需要實現3臺電機功率平衡，一拖三方式不能實現此功能。因此該改造方案采用一拖一方式，即選擇3臺與電機功率相匹配的小容量變頻器。

2.2 變頻器容量計算及校核

變頻器計算輸出功率P(kW)需滿足：

P≥K1Pde.

其中：K1為功率富裕系數，取K1=1.2；Pde為電機的額定功率，kW。

經過計算，P≥756 kW，根據計算輸出功率，變頻器容量取大一級，選1 000 kVA。

由于皮帶機傾角為16°，且需要重載啟動，必須進行電流校核。根據上海某公司變頻器樣品手冊，1 000 kVA變頻器的額定電流為92 A，1.5倍額定電流過載時間為60 s。要求變頻器的額定電流滿足：

Ievf≥K3KdIed/k2.

其中：Ievf為變頻器額定電流,92 A；K3為電機電流/轉矩系數，取1.15；Kd為電機轉矩過載倍數，取1.5；Ied為電機額定電流,取76 A；k2為變頻器電流短時過載倍數，取1.6。

經過計算，K3KdIed/k2=81.9 A

3 控制方案

皮帶機控制系統由3臺變頻器、1臺轉換柜、1臺綜合電源柜、1臺操作臺等設備組成。

3.1 變頻器

3臺變頻器所有硬件采用模塊化設計，維護效率高。其軟件要求功能強大，透明度高，調試效率高。變頻器選用兩象限高壓變頻器，電壓為6 000 V。由于皮帶機是正力運行負荷，兩象限變頻器可滿足現場使用要求。

3.2 綜合電源柜

采用電源雙進線設計，具備電源失壓、欠壓、過流保護。其饋出回路數量根據各用電設備的要求確定，裝設安全隔離開關、空氣斷路器、接觸器、控制開關以及電壓、電流等全套測量儀表。

3.3 操作臺

操作臺是系統的控制中樞，完成運行工藝所給出的運行動作及系統的啟動和停止，完成系統的各項保護，使系統安全可靠地運行。系統采用雙PLC作為控制核心，一臺PLC作為主控，一臺PLC作為監控。選用西門子S7-300型PLC。

操作臺上裝設各種工況顯示設備，以液晶顯示屏為主要顯示設備，可以觀察PLC運行情況、各外部接點動作狀態、各模擬量回路狀態等，方便維護工作。同時具有必要的開關量、模擬量的數字顯示，可以在液晶屏不工作時提供必要的運行數據，如安全回路指示燈，故障聲光報警顯示，高、低壓電壓表和電流表等等。

正常運行速度設定為4.8 m/s，驗帶速度設定為0.5 m/s，兩種速度通過操作臺上的轉換旋鈕進行切換。

3.4 系統的保護功能

根據《煤礦安全規程》要求，系統能實現打滑、跑偏、沿線急停、撕裂、堆煤、溫度監測、煙霧監測、自動灑水等各種保護功能。當發生斷帶、撕裂、跑偏、倒轉等故障時，將自動緊急停車。此外，還可實現超速保護、墜砣車限位、電機超溫、閘瓦磨損、電機軸瓦超溫、緊急停車、調節回路故障等多種保護功能。

3.5 保留原控制系統

原串電阻控制系統作為備用，予以保留，但僅在應急情況下投入使用，日常主要由變頻器驅動，兩套系統通過轉換開關進行轉換。

4 結語

系統改造于2018年“五一”停產檢修時間進行，用時5天。變頻控制系統運行近一年來，未出現電機功率不平衡等故障，完全實現了有關規定要求的各項功能，提升了設備的可靠性、安全性、經濟性，保障了安全生產。