帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹 露

（大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司電氣隊(duì)， 山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)為綜采工作面關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，將朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離以及大功率的方向發(fā)展。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明，帶式輸送機(jī)的能耗與其他設(shè)備相比僅次于采煤機(jī)。而且，當(dāng)前工作面帶式輸送機(jī)的節(jié)能改造還存在極大的空間，主要表現(xiàn)為，帶式輸送機(jī)無(wú)法根據(jù)其運(yùn)量對(duì)運(yùn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，從而出現(xiàn)運(yùn)量與運(yùn)速不匹配的問(wèn)題[1]。因此，為帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)節(jié)能控制系統(tǒng)，保證輸送帶運(yùn)量與運(yùn)速相匹配。

1 帶式輸送機(jī)節(jié)能基礎(chǔ)研究

完成對(duì)帶式輸送機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)，需掌握帶式輸送機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)、阻力系數(shù)的選擇以及導(dǎo)向滾張力增量系數(shù)的選擇。因此需對(duì)帶式輸送機(jī)輸送點(diǎn)逐點(diǎn)張力、主電機(jī)制動(dòng)功率以及負(fù)荷平衡等計(jì)算。本文所研究TD75 型帶式輸送機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1 所示：

表1 帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

本文著重對(duì)帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，此處不對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述，僅列出計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)后文節(jié)能控制系統(tǒng)中關(guān)鍵硬件的選型設(shè)計(jì)[2]。結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式所得如下結(jié)論：

帶式輸送機(jī)輸送帶許用應(yīng)力最小值為148 577 N；在正常運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)為輸送帶提供的最小制動(dòng)力為115 377.33 N，對(duì)應(yīng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率623.24 kW。

基于上述計(jì)算并結(jié)合當(dāng)前帶式輸送機(jī)所選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型，針對(duì)該帶式輸送機(jī)選用兩臺(tái)YBk2系列的三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行，該電機(jī)的主要參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)的額定功率為315 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)配置以液壓控制系統(tǒng)和各種傳感器組成的機(jī)電液一體化控制系統(tǒng)[3]。另外，將節(jié)能控制系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的自動(dòng)化控制功能。

基于上述設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)如圖1 所示的節(jié)能控制原理框圖：

圖1 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)原理框圖

如圖1 所示：由磁力啟動(dòng)器對(duì)液壓泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)；有主電機(jī)四象限變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，從而控制輸送帶的速度；由制動(dòng)磁力器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備制動(dòng)器的控制；由潤(rùn)滑磁力起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑電機(jī)運(yùn)行的控制。此外，基于油溫、帶速、電流、油壓以及相關(guān)保護(hù)傳感器對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)[4]。本控制系統(tǒng)中的核心硬件為PLC 和對(duì)輸送帶運(yùn)速實(shí)時(shí)控制的四象限變頻器，其對(duì)應(yīng)選型結(jié)果及參數(shù)如下頁(yè)表2 所示。

PLC 控制器的選型需綜合考慮其現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備輸入輸出點(diǎn)數(shù)、可靠性、適應(yīng)性、功能模塊化以及成本等因素。根據(jù)皮帶運(yùn)輸軟啟動(dòng)控制的功能要求，選用S7-200 系列的PLC 控制器；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)控制所需采集參數(shù)數(shù)字量、模擬量的個(gè)數(shù)以及控制參數(shù)的個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)型號(hào)為6ES7216 的CPU 模塊共包含有24 個(gè)輸入點(diǎn)、16 個(gè)輸出點(diǎn)，滿足皮帶運(yùn)輸機(jī)帶負(fù)載軟啟動(dòng)的控制要求。

表2 變頻器的選型及參數(shù)

除了主電機(jī)外，還需調(diào)速電機(jī)配合四象限變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶運(yùn)速的實(shí)時(shí)控制。調(diào)速電機(jī)與主電機(jī)主要區(qū)別在于：主電機(jī)主要承擔(dān)皮帶運(yùn)輸機(jī)的負(fù)載，為其提供相應(yīng)的功率；調(diào)速電機(jī)只應(yīng)用于設(shè)備在帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)負(fù)載大小對(duì)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制。

本文采用變頻控制原理對(duì)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速或功率進(jìn)行控制。經(jīng)研究可知：調(diào)速電機(jī)與主電機(jī)的功率比如式（1）所示：

式中：f 為基頻，取50 Hz；f'為調(diào)速電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的頻率值，一般將f'控制在300 Hz 為最佳；P'為調(diào)速電機(jī)的額定功率值，一般將P'控制在300 Hz為最佳；P 為主電機(jī)的功率值。

結(jié)合皮帶運(yùn)輸機(jī)主電機(jī)功率為1 500 kW，經(jīng)換算可得對(duì)應(yīng)調(diào)速電機(jī)的額定功率值為250 kW。經(jīng)查閱相關(guān)手冊(cè)，最終選型調(diào)速電機(jī)的型號(hào)為Tk280-20/1210，該調(diào)速電機(jī)對(duì)應(yīng)的其他參數(shù)如表3 所示。

3 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC 控制器為節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，其通過(guò)接收主電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、輸出轉(zhuǎn)速傳感器所采集到的參數(shù)信息以及其得到的軟啟動(dòng)、軟停車以及緊急停車等信息對(duì)變頻器進(jìn)行控制，從而對(duì)調(diào)速電機(jī)進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制[5]。因此，對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)裝置的啟動(dòng)程序而言，其對(duì)應(yīng)的程序流程圖如圖2 所示。

如圖2 所示，軟啟動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的核心在于通過(guò)PLC 對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而帶動(dòng)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，使得主電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足實(shí)際生產(chǎn)需求；并根據(jù)實(shí)時(shí)工況采用給定曲線完成調(diào)速電機(jī)的加速、減速控制。

表3 Tk280-20/1210 調(diào)速電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

圖2 軟啟動(dòng)裝置軟啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

1）為TD75 型帶式輸送機(jī)配置主電機(jī)型號(hào)為YBk2系列的三相異步電機(jī)，數(shù)量為2 臺(tái)。

2）設(shè)計(jì)了以PLC 控制器和四象限變頻器為核心的節(jié)能控制系統(tǒng)，并完成其中調(diào)速電機(jī)、PLC 控制器的選型。