變頻器在煤礦井下DTL180 型帶式輸送機上的應用研究

邱呈祥

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

隨著煤礦領域的快速發展，采煤效率有了顯著提升，帶式輸送機作為煤礦重要的運輸工具，其運輸能力也隨之得到提升[1]。煤礦在選用帶式輸送機時，為了確保運輸過程的安全，通常都會選擇運輸能力相對較大的設備，但是采煤過程的性質決定了在不同的時間段，采煤效率存在差異[2]，而目前多數帶式輸送機的運輸速度都保持恒定[3]，當帶式輸送機載重量接近其額定載重時，電動機輸出的功率就會有被效利用，當其載重量遠低于額定運輸能力時，電動機輸出功率就會被極大浪費[4-5]。大量的實踐經驗表明，將變頻器控制技術運用到帶式輸送機中，系統會自動檢測輸送機的載重量，并調整其運行速度，可以起到很好的節能效果[6]。

1 DTL180 型帶式輸送機變頻調速控制系統總體設計方案

DTL180 型帶式輸送機上使用的皮帶型號為ST4500，皮帶的寬度為1.8 m。皮帶運行速度可以通過變頻器技術在0～5 m/s 范圍內根據載重量得到調節，皮帶最大運輸量可以達到4 800 t/h。帶式輸送機的運輸長度為4 601 m，由于運輸距離較長，所以在其頭部和中部位置均設置了驅動裝置（通過電機進行驅動），具體在頭部和中部位置分別設置3 臺電機。

如圖1 所示為帶式輸送機變頻調速控制系統的總體方案。從圖中可以看出，控制系統總體結構主要由三大部分構成，分別為檢測部分、控制部分和執行部分。

圖1 帶式輸送機變頻調速系統總體結構

檢測部分主要涉及兩種傳感器，為速度傳感器和煤量傳感器，分別對帶式輸送機的運行速度和運輸煤量進行實時檢測，并將檢測得到的狀態信號轉變成為數字量信號輸入到PLC 控制器中。

控制部分主要是PLC 控制器，關鍵作用是對傳感器輸入的狀態信號進行分析和處理，判斷帶式輸送機是否處于最佳運行狀態，根據判斷結果通過變頻器對帶式輸送機電機的啟動過程、運行過程和停機過程進行準確控制，以達到節能減排、降低對設備造成沖擊的效果。另外，控制部分還包含人機對話界面，可顯示設備的運行狀態數據，為操作人員對帶式輸送機進行調節控制時提供直觀的界面指令。

執行部分主要是變頻器和帶式輸送機電機。變頻器接收PLC 控制器指令后，調節輸出電壓的頻率，以對帶式輸送機電機的轉速進行控制。

2 PLC 控制器裝置的選型與設計

2.1 PLC 控制器的CPU 冗余設計

上文已經分析到，PLC 控制器主要負責數據的分析和處理，并下達控制指令，所以其運行的可靠性和穩定性會直接影響系統的性能。結合某煤礦實際情況最終選用的PLC 控制器型號為S7-1200。為了保證PLC 控制器的可靠性，設計本系統時采用CPU冗余設計，即設計2 個CPU、2 個通信模塊、2 個電源模塊。應用容錯技術可以使2 套CPU 系統同時運行，其中1 套CPU 作為主用系統，對整個變頻控制系統進行控制。另外1 套CPU 作為備用控制系統，對主用CPU 系統進行監控。如果主用CPU 系統出現問題，就可以馬上啟用備用CPU 系統。通過這樣的控制方式，能夠顯著提升PLC 控制器運行的可靠性和穩定性。

2.2 變頻調速控制器的設計

2.2.1 主程序的設計

變頻調速的根據是帶式輸送機的載重情況，所以需要對輸送機的運輸物料重量進行檢測。系統通過皮帶秤來檢測帶式輸送機的物料載重量，同時通過速度傳感器對皮帶的運行速度進行檢測，并將兩種傳感器檢測得到的數據信號輸入到PLC 控制器中進行對比分析，主要分析兩者是否匹配，如果發現皮帶輸送機的運行速度過快、載重量過小，就可以下達指令通過變頻器調節供電電壓的頻率，對帶式輸送機電機轉速進行控制，降低其運行速度，如圖2 所示的PLC 控制器的主程序流程圖。

圖2 基于PLC 控制器的變頻調速系統主程序流程圖

2.2.2 啟動過程控制子程序的設計

對于帶式輸送機在啟動方式的選擇，如果選擇傳統的硬啟動方式，會對皮帶和設備造成非常大的沖擊，影響設備和皮帶的使用壽命，而通過變頻器控制可以實現對帶式輸送機的軟啟動。常見的軟啟動方式包括拋物線形啟動、正弦形啟動、S 形啟動等。本系統中采用的是拋物線形啟動方式，即將控制指令設置到PLC 控制器中，對變頻器輸出電壓頻率進行準確控制，實現帶式輸送機的穩定啟動。

2.2.3 皮帶運行速度控制子程序的設計

如圖3 所示為皮帶運行速度控制子程序的流程圖。從圖中可以看出，首先需要通過兩種傳感器對帶式輸送機載重量和皮帶運行速度進行檢測，并將檢測結果輸入到PLC 控制器中，通過提前設定的邏輯控制算法來判斷兩者之間是否匹配，進而判斷是否需要對帶式輸送機的運行速度進行調整。如果發現兩者較為匹配，則不需要調整，整個過程結束；相反，如果發現兩者不匹配，那么PLC 控制器就會下達控制指令，通過執行機構對帶式輸送機的運行速度進行調整，使皮帶載重量和皮帶運行速度相匹配，此時電動機的輸出功率將會被最大限度地利用，可避免出現能源浪費的現象。

圖3 皮帶運行速度控制子程序流程圖

3 變頻器調速裝置的選型與設計

帶式輸送機總共采用了6 臺電機，型號為YB710M2-4，屬于國產電機。其中在頭部和中部位置均設置3 臺電機，電機的功率全部為1 800 kW，供電電壓為6 kV。在頭部位置設置有2 個驅動滾筒，功率配比為2∶1，在中部位置設置有3 個驅動滾筒，功率配比為1∶1∶1。針對6 臺驅動電機，為每臺電機配備1 臺西門子羅賓康完美無諧波系列高壓變頻器。該種類型的變頻器在煤礦領域有非常廣泛的應用，大量的實踐經驗表明，該變頻器能夠取得非常好的應用效果，可以對電機的轉速進行精確控制。

由于帶式輸送機同時由6 臺電機進行驅動，所以必須保證驅動電機相互平衡才能使得整個運輸過程穩定。因此，需要對6 臺電機同時控制，使不同電機間相互關聯。為實現這一功能，在設計系統時采用的是主從控制器模式，基本原理如圖4 所示。從圖中可以看出，將6 臺電機變頻器中的1 臺設置為主變頻器，將其他5 臺設置為從變頻器。系統在運行時只需要對主變頻器進行控制即可，對其他變頻器的控制則是根據主變頻器的調整情況進行調整。通過這樣的方式能夠確保6 臺電機之間保持平衡、速度保持一致。

變頻器是整個變頻調速控制系統的核心，因此應采取措施確保其可靠穩定運行。基于以往的實踐經驗，發現變頻器常見的故障類型主要包括短路、過載、過電壓或欠電壓等。本系統可以對變頻器的故障進行自動檢測，當系統檢測發現變頻器存在問題時，會進行報警并發出停機信號。操作人員根據提示信號做出決策，是否對帶式輸送機進行停機處理。通過這樣的措施能顯著提升變頻調速控制系統運行的可靠性和穩定性。

圖4 帶式輸送機變頻調速控制基本原理圖

4 結論

隨著國家對節能減排要求的不斷提升，以及變頻調速技術的不斷發展，應用變頻調速技術對礦用帶式輸送機進行控制是發展的必然趨勢。使用變頻調速技術，可以實現對帶式輸送機啟動過程、制動過程以及運行過程的速度的精確控制，可以實現帶式輸送機的軟啟動，可有效避免啟動過程對設備造成的沖擊，可以根據帶式輸送機輸送的載重量，對運行速度進行實時調節，達到節省電能的效果。