長距離大功率帶式輸送機的電控設計

陳 淼

(山西蘭花集團 東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

帶式輸送機是礦山企業(yè)重要的運輸設備，尤其是隨著我國煤炭企業(yè)各類型生產(chǎn)技術革新與產(chǎn)能的提高，傳統(tǒng)的帶式輸送機已不能夠滿足企業(yè)發(fā)展的要求。目前帶式輸送機的運量和功率越來越大，其電控系統(tǒng)急需采用更先進的控制技術來匹配。采用變頻器驅動多電機驅動系統(tǒng)是目前長距離大功率帶式輸送機常用的技術方案。

1 帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)

1.1 電氣控制系統(tǒng)結構

帶式輸送機電控系統(tǒng)的結構如圖1所示，按功能可分為監(jiān)控與報警、PLC、監(jiān)測和變頻器電路。監(jiān)控與報警模塊包括報警裝置和位于主控室內的上位機；PLC實現(xiàn)電機軟啟動、剎車制動、無級調速、功率平衡和急停等核心功能；監(jiān)測模塊包括溫度監(jiān)測和轉速監(jiān)測，變頻器模塊具有多種控制方式，能夠實現(xiàn)外部操作、手動操作和自動操作等。

圖1 帶式輸送機電控系統(tǒng)結構圖

1.2 電氣控制系統(tǒng)功能

(1) 對牽引電機進行調速。通過變頻器改變牽引電機輸出電壓的頻率進行調速，可選擇分級調速或無級調速。

(2) 綜合保護功能。對輸送機的機械類故障和電氣類故障具有綜合保護功能。電氣類故障包括過電壓與欠電壓、過電流、缺相運行、各類型接地與短路等；機械類故障包括偏離既定路線、物料堆積、皮帶打滑、運行速度過快和破損等。

2 電控系統(tǒng)硬件設計

2.1 PLC選型

系統(tǒng)選用西門子的S7-300PLC，采用CPU315-2PN/DP型中央處理器。S7-300型PLC可分為電源模塊、處理器模塊、信號模塊、總線模塊和電纜模塊等，其本質安全電源和非本質安全電源均為24 V直流電。S7-300具備無源控制觸點，用戶可根據(jù)需求對其常開/常閉狀態(tài)以及是否互鎖進行選擇：①在自動模式下，當接收到啟動、停止或者切換等信號時，可以根據(jù)工藝流程按順序自動啟動、自動停止或者切換抽采泵和相應設備，實現(xiàn)故障時真空泵的自動切換；②在手動模式下，可以對各設備實施分步操作，但是各環(huán)節(jié)之間存在先后順序的閉鎖；③在檢修模式下，可以對各設備實施分別操作，各環(huán)節(jié)之間將不存在先后順序的閉鎖。以上特點說明該型號PLC十分適合本系統(tǒng)的控制要求。

2.2 操縱臺

操縱臺是操作站的主要設備之一，位于電氣控制室。一般的帶式輸送機操縱臺有兩個，分別分布在兩個電氣控制室，彼此享有同等的操作權限，即任何一個操縱臺即可完成一個完整的操作。一般操縱臺的作用是一方面實現(xiàn)各類型控制操作，另一方面監(jiān)視其運行狀態(tài)。操縱臺由顯示部分和操作部分構成，顯示部分包括各電壓電流等指針式儀表、故障或正常運行指示燈；操作部分包括各類型切換開關、按鈕等。操縱臺具有6種工作方式，具體說明如表1所示。

表1 操縱臺工作方式

2.3 變頻器

本電控系統(tǒng)選用ABB公司生產(chǎn)的ACS800-04系列變頻器，該變頻器采用直接轉矩方式，其控制速度快且精度高。這種控制方式具有矢量控制不具備的優(yōu)點，其定子坐標下的數(shù)學模型更容易使電機磁鏈和電機轉矩得到有效控制。ACS800-04系列變頻器主回路配置有6脈波整流器可將三相交流電壓轉換為直流電壓，電容器組可穩(wěn)定中間回路直流電壓，6脈波IGBT逆變器可將直流電壓轉換為交流電壓，進而控制電機運行。

此外，這款變頻器還具有下列特點：①系統(tǒng)軟硬件可維護程度高，具有專業(yè)的抗擾設計；②IGBT驅動技術先進，智能驅動技術使得IGBT和電容的使用壽命延長；③采用軟充電技術、相間保護技術和快速制動技術等。

3 電控系統(tǒng)PLC程序設計

電控系統(tǒng)的PLC程序包括拒啟報警子程序、軟啟動子程序、功率平衡子程序和各類綜合保護子程序。綜合保護子程序以開關量實現(xiàn)控制，除此以外的所有子程序均是由PLC通過控制程序輸出頻率信號實現(xiàn)控制。

3.1 拒啟報警子程序

拒啟報警子程序流程圖如圖2所示。收到啟車指令后，PLC程序依次判斷綜合保護裝置、制動閘、主變頻器、從變頻器的狀態(tài)，如果出現(xiàn)非正常狀態(tài)則發(fā)出拒啟報警信號。判斷主變頻器和從變頻器正常以后，啟動相應主電機或從電機，電機啟動后采集轉矩和轉速偏差數(shù)據(jù)，返回變頻器狀態(tài)判斷循環(huán)。

圖2 拒啟報警子程序

3.2 軟啟動子程序

電動機的啟動需要設計專門的啟動程序，以免啟動電流過大造成啟動失敗或燒毀電機。PLC中編制了啟動S曲線，當系統(tǒng)收到啟車指令后校驗保護是否正常，保護校驗完畢后制動閘送電打開，然后控制變頻器的輸出頻率按照S曲線從零增加，電機啟動完成后發(fā)出給煤機可啟動和輸出運行信號。軟啟動子程序如圖3所示。

圖3 帶式輸送機軟啟動子程序

3.3 保護子程序

帶式輸送機綜合保護系統(tǒng)的保護分為兩類：一類是獨立保護，動作后PLC將發(fā)送停機指令，這類型的保護有縱撕保護、沿線急停保護、堆煤保護三種；還有一類保護不直接停機，而是多個保護信號綜合判斷動作與否，這類型的保護有溫度保護、煙霧保護和自動噴水保護。如果各類型保護都沒有觸發(fā)，則系統(tǒng)按照預定啟動順序啟動，若觸發(fā)不同類型保護，則根據(jù)圖4的邏輯關系依次執(zhí)行相關動作。

圖4 綜合保護子程序

4 結論

帶式輸送機的發(fā)展方向為長距離、大功率以及多點驅動，本文對一種礦用長距離大功率帶式輸送機的電控系統(tǒng)進行了軟硬件設計，采用PLC控制變頻器驅動多電機的電控系統(tǒng)，在實現(xiàn)節(jié)能變頻驅動的基礎上，設計了綜合保護系統(tǒng)，解決了煤礦帶式輸送機遇到的現(xiàn)實問題，提高了煤料運輸?shù)倪\輸效率和安全性。