小保當(dāng)一號(hào)煤礦主斜井帶式輸送機(jī)智能調(diào)速電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王惠臣

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

主斜井帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其配套電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否，直接影響整個(gè)煤礦的生產(chǎn)能力。小保當(dāng)一號(hào)煤礦是年生產(chǎn)能力為15Mt的特大型現(xiàn)代化煤礦，主斜井帶式輸送機(jī)自投運(yùn)以來狀況良好，配套的電控設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，完全能夠滿足生產(chǎn)能力要求。本文以小保當(dāng)一號(hào)煤礦主斜井帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹基于智能調(diào)速的電控系統(tǒng)其構(gòu)成及各子系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，并對(duì)設(shè)計(jì)中遇到的問題進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 電控系統(tǒng)構(gòu)成

小保當(dāng)一號(hào)煤礦主斜井帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)主要包括高低壓配電系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)PLC監(jiān)控系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)煤流量監(jiān)控系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)及帶式輸送機(jī)礦用值守機(jī)器人等子系統(tǒng)[1，2]。主斜井帶式輸送機(jī)主要參數(shù)：運(yùn)量為5800t/h，運(yùn)輸長度約為1730m，傾角為0～12°，帶速為5.6m/s，帶寬為2000mm，主電機(jī)功率為4×2800kW/6kV，制動(dòng)方式：液壓盤式制動(dòng)，張緊方式為尾部液壓自動(dòng)張緊。

主斜井井口房10/0.4kV變電所為四層結(jié)構(gòu)建筑，分別布置主斜井帶式輸送機(jī)、井下西翼大巷帶式輸送機(jī)(3×1600kW/6kV)及上倉帶式輸送機(jī)(3×800kW/10kV)等三條帶式輸送機(jī)的電控設(shè)備。主斜井帶式輸送機(jī)電控設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主斜井帶式輸送機(jī)電控設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

小保當(dāng)一號(hào)井主煤流運(yùn)輸智能調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的煤流量，采用遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)接口和變頻器控制技術(shù)進(jìn)行智能調(diào)速[3]。井下工作巷帶式輸送機(jī)(3×800kW+3×800kW，3300V)、井下西翼大巷帶式輸送機(jī)、主斜井帶式輸送機(jī)及主斜井至原煤倉帶式輸送機(jī)均設(shè)置礦用隔爆型PLC控制箱及煤流量檢測儀，煤流量檢測儀采集的信號(hào)通過分區(qū)PLC控制箱就近接入光纖環(huán)網(wǎng)[4]。煤礦主煤流運(yùn)輸智能調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦主煤流運(yùn)輸智能調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)的區(qū)域PLC控制箱設(shè)置在主斜井井口房帶式輸送機(jī)控制室，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果向分區(qū)PLC控制箱輸出帶式輸送機(jī)速度控制信號(hào)，分區(qū)PLC控制箱和現(xiàn)場帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)各條帶式輸送機(jī)變頻器對(duì)電機(jī)的智能調(diào)速。前級(jí)帶式輸送機(jī)煤流數(shù)據(jù)作為后級(jí)帶式輸送機(jī)機(jī)速度調(diào)節(jié)依據(jù)，最大程度地降低帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)的空載和輕載運(yùn)行率，從而顯著降低能耗，延長使用壽命。

2 電控系統(tǒng)各子系統(tǒng)功能

2.1 高低壓配電系統(tǒng)

主斜井帶式輸送機(jī)高壓配電系統(tǒng)設(shè)置15臺(tái)KYN28-12型高壓開關(guān)柜，該開關(guān)柜選用VD4彈操真空斷路器、數(shù)字儀表、微機(jī)綜合保護(hù)器具有RS485接口或以太網(wǎng)接口，具有“五防”功能、各種電氣保護(hù)和閉鎖裝置齊全[5]。

變頻器主回路斷路器的分閘命令必須從變頻器直接發(fā)出，不得通過帶式輸送機(jī)PLC監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出。斷路器處于工作位時(shí)，變頻器擁有閉合斷路器的唯一控制權(quán)。不得使用斷路器的本地/遠(yuǎn)程開關(guān)進(jìn)行分合閘操作。斷路器除分閘線圈外，還需配置欠壓脫扣線圈。當(dāng)帶式輸送機(jī)需要緊急停車或者變頻器檢測到故障時(shí)，變頻器除輸出分閘節(jié)點(diǎn)外，還需輸出動(dòng)作于欠壓脫扣線圈的故障跳閘節(jié)點(diǎn)。即使直流屏故障導(dǎo)致控制母線欠壓時(shí)，主回路斷路器仍可以通過欠壓脫扣線圈可靠跳閘，滿足變頻器保護(hù)要求。主回路斷路器(MCB)的合分閘回路如圖3所示。

圖3 主回路斷路器的合分閘回路圖

低壓配電系統(tǒng)為TN-S系統(tǒng)，設(shè)置1套低壓電源柜，進(jìn)線采用雙電源自動(dòng)切換裝置，用于給主斜井帶式輸送機(jī)、上倉帶式輸送機(jī)成套設(shè)備及井口房輔助設(shè)施(包括冷卻風(fēng)機(jī)、液壓站、照明及空調(diào)等負(fù)荷)提供380V交流電源。

2.2 帶式輸送機(jī)PLC監(jiān)控系統(tǒng)

主斜井帶式輸送機(jī)PLC監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求如下：

1)控制方式：不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)本條帶式輸送機(jī)的起動(dòng)、停機(jī)、監(jiān)測、保護(hù)等功能，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)的集中遠(yuǎn)程控制及顯示運(yùn)行狀態(tài)等功能[6]；另外通過光纖與地面調(diào)度監(jiān)控中心帶式輸送機(jī)分控臺(tái)通訊，也能實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度監(jiān)控中心對(duì)主斜井運(yùn)輸系統(tǒng)的集中遠(yuǎn)程控制及顯示運(yùn)行狀態(tài)等功能。

2)控制帶式輸送機(jī)起動(dòng)運(yùn)行：首先自動(dòng)發(fā)起動(dòng)預(yù)告，然后控制松閘、張緊帶式輸送機(jī)，待松閘、張緊均返回OK信號(hào)后，通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)(要求按0.1～0.3m/s2加速度控制軟起動(dòng))，并且同時(shí)監(jiān)測各信號(hào)(急停閉鎖、堆煤、煙霧、打滑、二級(jí)跑偏、張緊、制動(dòng)等)是否正常，若其中任一信號(hào)出現(xiàn)故障，均應(yīng)能實(shí)現(xiàn)緊急停車。

3)控制帶式輸送機(jī)正常停車：先自動(dòng)停帶式輸送機(jī)前的煤流(順煤流停車)，延時(shí)一段時(shí)間待膠帶上的煤拉完后，控制變頻器實(shí)現(xiàn)軟停車(要求按0.1～0.3m/s2減速度控制軟停車)，待帶式輸送機(jī)速度降至0.5m/s時(shí)(可程序設(shè)定，可調(diào))，控制抱閘。

4)急停帶式輸送機(jī)：當(dāng)帶式輸送機(jī)出現(xiàn)緊急停車故障時(shí)，如急停閉鎖、堆煤、煙霧、二級(jí)跑偏、縱撕、制動(dòng)故障、張緊故障等，停主電機(jī)，待帶式輸送機(jī)速度降至0.5m/s時(shí)(可程序設(shè)定，可調(diào))，控制抱閘，實(shí)現(xiàn)緊急停車。

5)驗(yàn)帶：可選擇驗(yàn)帶運(yùn)行，在驗(yàn)帶工作方式下，變頻器可控制帶式輸送機(jī)低速運(yùn)行。

6)對(duì)主控系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的要求：主控系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣閉鎖。保證起動(dòng)及正常運(yùn)行時(shí)制動(dòng)閘必須松開；帶速為零時(shí)，制動(dòng)器必須抱死；制動(dòng)器斷電及故障時(shí)，主控應(yīng)按急停處理。主控系統(tǒng)和張緊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣閉鎖。保證起動(dòng)及正常運(yùn)行時(shí)張緊必須到位；張緊裝置斷電及故障時(shí)，主控應(yīng)按急停處理。

2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)

市場上有以下幾種帶式輸送機(jī)常用的變頻裝置[7]：①北京合康、西門子羅賓康等公司生產(chǎn)的低壓級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)變頻器，采用IGBT絕緣柵雙極型晶體管，功耗較低，單管耐壓為1700V，單向?qū)ǎ虎贏BB公司生產(chǎn)的ACS 5000型變頻器，為直接高-高、交-直-交電壓型，輸出電壓6kV，采用IGCT集成門極換流晶閘管，功耗低，單管耐壓為5500V，單向?qū)ǎ虎跼ockwell公司生產(chǎn)的Power Flex7000系列變頻器，為直接高-高、交-直-交電流型，采用SGCT 集成門極換流晶閘管，功耗很低，單管耐壓為6500V，雙向?qū)ǎ南笙捱\(yùn)行。變頻器功率半導(dǎo)體器件技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 變頻器功率半導(dǎo)體器件技術(shù)參數(shù)表

技術(shù)性能比較如下[8]：6kV低壓元件級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)變頻器每相有五個(gè)IGBT功率器件同時(shí)導(dǎo)通，而ACS 5000型變頻裝置每相僅有兩個(gè)IGCT功率器件同時(shí)導(dǎo)通，相比較來說ACS 5000型變頻裝置整體功率元件少、故障率低，可靠性更高。Power Flex7000系列變頻器每個(gè)橋臂采用三個(gè)SGCT串聯(lián)，雖然結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但不適用于兩象限運(yùn)行、無能量反饋的主斜井上運(yùn)帶式輸送機(jī)類負(fù)載，另外價(jià)格偏高、后期維護(hù)也不方便。主斜井帶式輸送機(jī)最終選用四臺(tái)ACS 5000型變頻裝置。

考慮到設(shè)備可能出現(xiàn)過負(fù)荷的情況，并且要求電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩大于2，所以ACS5000變頻器的額定輸出電流必須大于所帶電機(jī)的額定電流，并需具備180%額定輸出電流1min、每隔10min可重復(fù)一次的過載能力，以滿足因系統(tǒng)原因停止后帶式輸送機(jī)滿煤時(shí)的再起動(dòng)要求。另外變頻器的配套變壓器應(yīng)具備在連續(xù)額定容量基礎(chǔ)上具備120%的過載能力。

2.4 帶式輸送機(jī)煤流量監(jiān)控系統(tǒng)

2.4.1 技術(shù)要求

1)該系統(tǒng)基于系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行工作點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)井下運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行。

2)依據(jù)煤流檢測：計(jì)算和確定帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)，并通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于工作點(diǎn)的運(yùn)行調(diào)節(jié)；計(jì)算和確定帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)煤流量分布，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的順煤流啟動(dòng)[9]。

3)依據(jù)給定工作點(diǎn)，并根據(jù)上游刮板機(jī)輸出量以及帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)煤量狀態(tài)，優(yōu)化帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括最優(yōu)化的起、停級(jí)聯(lián)時(shí)間；優(yōu)化的運(yùn)行協(xié)同調(diào)速；使帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)的空載、輕載運(yùn)行率最小化。

4)提供帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)自診斷和數(shù)據(jù)分析功能。

5)提供對(duì)上一級(jí)生產(chǎn)集控/數(shù)字化礦山系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)/控制信息樞紐。

6)可以實(shí)現(xiàn)以下模式：運(yùn)行過程中智能調(diào)速模式，綜采工作面投入使用時(shí)，根據(jù)來煤量選擇50%帶速模式、75%帶速模式或100%帶速模式。低速運(yùn)行模式，當(dāng)綜采工作面檢修時(shí)，一鍵起停主運(yùn)輸系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各膠帶均按30%帶速運(yùn)行。

2.4.2 啟動(dòng)方式選擇

依據(jù)煤流檢測，計(jì)算和確定膠帶運(yùn)輸機(jī)煤流量分布，自動(dòng)判斷系統(tǒng)為順煤流啟動(dòng)還是逆煤流啟動(dòng)，當(dāng)符合條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)膠帶的順煤流啟動(dòng)[10]。在膠帶煤流量監(jiān)控不參與控制情況下，膠帶系統(tǒng)逆煤流啟動(dòng)。無論順煤流啟動(dòng)和逆煤流啟動(dòng)，系統(tǒng)均應(yīng)實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)。具有逆煤流開、順煤流停的煤流方向相互閉鎖功能。煤礦主煤流運(yùn)輸整體控制邏輯如圖4所示[11]。

圖4 煤礦主煤流運(yùn)輸整體控制邏輯框圖

系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各條帶式輸送機(jī)的煤量分布。如果各帶式輸送機(jī)為空載，軟件判斷此時(shí)可以進(jìn)行順煤流方向起車，按工作巷帶式輸送機(jī)→西翼大巷帶式輸送機(jī)→主斜井帶式輸送機(jī)→上倉帶式輸送機(jī)→上倉刮板的順序起動(dòng)。當(dāng)主斜井帶式輸送機(jī)，上倉帶式輸送機(jī)空載，且工作巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾有一定煤量時(shí)，此時(shí)首先起動(dòng)工作巷帶式輸送機(jī)，然后根據(jù)上次停車時(shí)記錄的煤流位置判斷煤流到達(dá)工作巷機(jī)頭的時(shí)間t。當(dāng)時(shí)間小于設(shè)定值t時(shí)，按照主斜井帶式輸送機(jī)→上倉帶式輸送機(jī)→上倉刮板的順序起動(dòng)，以達(dá)到順煤流起動(dòng)的目的。一鍵順煤流起動(dòng)邏輯，是指一鍵順煤流自動(dòng)起動(dòng)所有設(shè)備的操作，此操作可以自動(dòng)從工作巷帶式輸送機(jī)向井口方向起動(dòng)至上倉刮板機(jī)，前提條件是所有設(shè)備為全空狀態(tài)。

對(duì)于異常情況下的起車保護(hù)邏輯如下：

1)查詢所有保護(hù)信息有無問題，再根據(jù)歷史數(shù)據(jù)判斷上次是否為正常停車，再進(jìn)行起車操作[12]。

2)工作巷帶式輸送機(jī)要優(yōu)先刮板機(jī)起動(dòng)，避免刮板機(jī)非空造成的堆煤。

3)工作巷帶式輸送機(jī)起動(dòng)過程中，主斜井帶式輸送機(jī)變頻器開始做起動(dòng)前期準(zhǔn)備，油泵、風(fēng)扇等提前進(jìn)行起動(dòng)。這之間的延后時(shí)間需要根據(jù)實(shí)際參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，通過預(yù)判刮板機(jī)和工作巷帶式輸送機(jī)的情況，提前對(duì)主斜井帶式輸送機(jī)進(jìn)行起動(dòng)，防止因時(shí)間不夠造成不能起動(dòng)。

4)主斜井帶式輸送機(jī)起動(dòng)后，根據(jù)曲線進(jìn)行低速運(yùn)行。檢測到工作巷上出現(xiàn)煤流后，根據(jù)煤流到達(dá)的時(shí)間和調(diào)速相應(yīng)時(shí)間來決定主斜井帶式輸送機(jī)的加速時(shí)機(jī)。

5)主斜井帶式輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)，上倉帶式輸送機(jī)也進(jìn)行起動(dòng)前準(zhǔn)備，當(dāng)判斷煤流經(jīng)過警戒位時(shí)將上倉帶式輸送機(jī)起動(dòng)。

2.5 帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

在帶式輸送機(jī)機(jī)頭處放置一臺(tái)KTC101-Z型主控制器和KDW101型電源箱，KTC101-Z主控制器控制主斜井、帶式輸送機(jī)的開/停及狀態(tài)顯示，并完成帶式輸送機(jī)啟動(dòng)前的語言報(bào)警和和主斜井帶式輸送機(jī)機(jī)頭傳感器(速度、煙霧、溫度、跑偏、堆煤、超溫灑水裝置)[13-15]的檢測，KDW101本安電源用于系統(tǒng)和沿線的供電。

2.6 礦用值守機(jī)器人系統(tǒng)

礦用值守機(jī)器人系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)、高頻補(bǔ)光照明系統(tǒng)、防爆控制主機(jī)、防爆計(jì)算機(jī)組成。整個(gè)系統(tǒng)安裝于落煤點(diǎn)帶式輸送機(jī)面正上方約1m高度，采集快速運(yùn)轉(zhuǎn)的帶式輸送機(jī)圖像。圖像信息一部分傳輸?shù)椒辣刂浦鳈C(jī)，通過用于圖像實(shí)時(shí)分析，識(shí)別大塊矸石、錨桿等大塊物料和長桿利器；一部分圖像信息與圖像識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程控制的防爆計(jì)算機(jī)或地面控制中心，顯示、存儲(chǔ)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)異常，機(jī)器人及時(shí)報(bào)警，結(jié)合從帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)獲取的帶式輸送機(jī)機(jī)速度，記錄異物位置，也可聯(lián)動(dòng)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)控制帶式輸送機(jī)機(jī)停止運(yùn)行。煤礦帶式輸送機(jī)智能分析圖像如圖5所示。

圖5 煤礦帶式輸送機(jī)智能分析圖像

3 主煤流運(yùn)輸電控系統(tǒng)存在問題及解決方法

1)主斜井帶式輸送機(jī)、上倉帶式輸送機(jī)的PLC監(jiān)控系統(tǒng)與變頻器之間僅采用通信模式，解決方法：后期增加將PLC監(jiān)控系統(tǒng)與變頻器之間啟停、急停等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的硬接線。

2)井下西翼大巷帶式輸送機(jī)的井下PLC主站與井口房PLC分站均無冗余設(shè)計(jì)，解決方法：后期增加冗余設(shè)計(jì)，即當(dāng)一處PLC發(fā)生故障無法控制帶式輸送機(jī)機(jī)時(shí)，另一臺(tái)PLC也能夠控制帶式輸送機(jī)機(jī)。

3)對(duì)一些影響帶式輸送機(jī)機(jī)運(yùn)行的故障或告警，缺少相應(yīng)的故障記錄，解決方法：對(duì)設(shè)備發(fā)生的各種故障要有記錄功能，但不可以自行復(fù)位，只能人工復(fù)位。

4 結(jié) 語

目前該帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)已投入運(yùn)行近兩年，經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)力矩響應(yīng)速度快，控制系統(tǒng)可靠性高、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定；最大程度地降低了煤礦主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)的空載和輕載運(yùn)行率，降低能耗顯著，延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命，為煤礦創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的推廣價(jià)值。