礦用刮板輸送機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的改進與應(yīng)用

高鳳山

（鐵煤集團內(nèi)蒙古東林煤炭有限責任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏蘭察布 013350）

引言

刮板輸送機作為煤礦開采工作面中的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其運行效率直接決定著煤礦開采效率[2]。隨著煤礦對開采設(shè)備要求的不斷提高，刮板輸送機傳統(tǒng)的驅(qū)動方式在實踐中已經(jīng)受到了很大的制約，暴露出一些問題，比如設(shè)備啟動時對電力網(wǎng)絡(luò)造成沖擊、啟動過程困難、運行過程設(shè)備損耗大等問題[3-4]。基于此，優(yōu)化刮板輸送機的驅(qū)動方式顯得尤為重要[5]。當前變頻調(diào)速控制技術(shù)在工業(yè)中取得了很好的應(yīng)用效果[6]，因此基于變頻調(diào)速控制技術(shù)，對礦用刮板輸送機的驅(qū)動方式進行優(yōu)化設(shè)計，將并將其應(yīng)用到工程實踐中。

1 刮板輸送機概述

本文以煤礦中使用的SGB-620/80T型刮板輸送機為例進行介紹。刮板輸送機整體上是一個非常復雜的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含有多個零部件，但最為重要的結(jié)構(gòu)主要包括機頭、機尾、中部槽、過渡槽、機載控制器等。由于設(shè)備長度較長，因此需要同時使用三部電機對其進行驅(qū)動，其中兩臺電機位于機頭部位，一臺電機位于機尾部位。電機輸出的動力經(jīng)減速器后作用在鏈輪上，刮板鏈條與鏈輪進行嚙合傳遞動力，鏈輪旋轉(zhuǎn)帶動刮板鏈條做循環(huán)運動，從而帶動中部槽結(jié)構(gòu)運動。

刮板輸送機與驅(qū)動方式存在緊密關(guān)系表現(xiàn)在以下兩個方面：第一，由于刮板輸送機同時通過三臺電機進行驅(qū)動，因此三臺電機之間的運行功率必須保持相對平衡。若電機功率不平衡，不僅會對電氣系統(tǒng)造成損傷，更嚴重是的會對刮板輸送機的機械結(jié)構(gòu)造成牽扯拉傷。第二，刮板輸送機在啟動時，尤其是重載啟動時，如果采用傳統(tǒng)的驅(qū)動方式啟動，會對設(shè)備造成沖擊，提升設(shè)備運行故障率，降低使用壽命。基于上述刮板輸送機運行時的現(xiàn)實問題，煤礦企業(yè)擬基于變頻調(diào)速控制技術(shù)對刮板輸送機的驅(qū)動方式進行優(yōu)化改進。

2 刮板輸送機變頻驅(qū)動優(yōu)化方案

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于變頻調(diào)速控制技術(shù)的刮板輸送機驅(qū)動方案如圖1所示。由圖可知，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由刮板輸送機、電機、變頻器及PLC控制器等部分構(gòu)成。其中刮板輸送機中使用的三臺電機各項技術(shù)參數(shù)完全相同。為了便于控制，可以將機頭的兩臺電機等效成為一臺電機，通過一臺變頻器同時對此兩臺電機進行控制，機尾的一臺電機使用另外一臺變頻器對其進行控制。

圖1 刮板輸送機變頻驅(qū)動方案示意圖

2.2 系統(tǒng)的基本工作原理

控制系統(tǒng)中的兩臺變頻器同時接受PLC控制器的控制。控制系統(tǒng)工作時通過霍爾傳感器可以對電機工作電流進行識別，將結(jié)果實時傳輸?shù)絇LC控制器中，控制器基于電流大小即可判斷電機運行功率大小，進而判斷電機功率是否平衡。如果發(fā)現(xiàn)電機功率不平衡，則可以下達指令對變頻器進行控制，調(diào)整變頻器輸出電壓頻率，達到控制電機運行功率的目的，直到三臺電機功率達到平衡為止。另外，為了避免刮板輸送機啟動過程尤其是重載啟動時對設(shè)備造成的沖擊，可以在PLC控制器中預先設(shè)定啟動程序，使電機轉(zhuǎn)速按照設(shè)定的“S形曲線”模式慢慢加速。

3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要硬件的選型與設(shè)計

設(shè)計的刮板輸送機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，PLC控制器、變頻器和霍爾電流傳感器是非常關(guān)鍵和重要的硬件設(shè)施，以下主要對此三項硬件裝置進行介紹。

3.1 PLC控制器

PLC控制器是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的大腦，因此在對PLC控制器進行選型時必須要考慮運行過程的性能和穩(wěn)定性。DX-MA01型PLC控制器在工業(yè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果，本研究結(jié)合實際情況，選用該型號控制器作為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的PLC控制器。該型號控制器對各項功能進行了高度集成，自帶很多個數(shù)據(jù)接口，能夠進行數(shù)據(jù)的傳入與傳出，完全能夠滿足變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的實際使用需要，輸出信號不需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換即可直接傳入變頻器中對其進行控制。PLC控制器中CPU是其中非常重要的構(gòu)成部分，該型號控制器中使用的CPU型號為英飛凌TC1796，其內(nèi)存大小和閃存大小完全相同，為4 MByte+80 kByte。對數(shù)據(jù)的處理頻率大小為150 150 MHz，能夠保證數(shù)據(jù)處理的效率。

3.2 變頻器

變頻器的作用是接受PLC控制器的指令，并輸出對應(yīng)的電壓頻率。當電機的輸入電壓頻率改變時其輸出轉(zhuǎn)速會隨之改變，以此達到控制電機輸出轉(zhuǎn)速的目的。結(jié)合市場情況和系統(tǒng)實際情況，最終選用的是由西門子公司研制生產(chǎn)的變頻器，具體型號為6SE7134-5HK62-5BA0。該變頻器能夠適應(yīng)煤礦復雜工作環(huán)境，且適用功率范圍非常廣闊，最低可以達到0.55 kW，最高可以達到2 800 kW。如圖2所示為變頻器操作界面圖。此型號變頻器具有自我保護功能，每次啟動以及正常運行過程中都會進行自檢，如果發(fā)現(xiàn)存在問題會通過指示燈進行指示。

圖2 變頻器操作界面圖

3.3 霍爾傳感器

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，霍爾傳感器的作用是對三臺電機運行時的電流大小進行檢測，檢測精度直接決定了系統(tǒng)控制的精度，因此必須具備有相當高的檢測精度。選用的霍爾傳感器型號為CSNR16Ⅰ，該傳感器為本質(zhì)安全型傳感器，完全能夠滿足礦井惡劣的服役環(huán)境。還具有測量精度高、測量范圍廣等顯著的優(yōu)勢，響應(yīng)速度也非常快。

4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改進效果分析

將設(shè)計的刮板輸送機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改進方案應(yīng)用到某煤礦工程實踐中，為了驗證方案的優(yōu)劣，對其進行了三個月時間的測試。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改進方案應(yīng)用效果良好，與以往的驅(qū)動方式相比較而言，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，刮板輸送機啟動過程中按照系統(tǒng)設(shè)定的“S形曲線”啟動模式進行啟動，有效避免了硬啟動過程對設(shè)備造成的沖擊；第二，設(shè)備在啟動和正常運行過程中，能夠?qū)﹄姍C運行電流大小進行實時監(jiān)控與控制，從而保障三臺電機之間的功率平衡問題。通過對變頻調(diào)速控系統(tǒng)的優(yōu)化改進，有效解決了以往驅(qū)動方式在實踐中暴露出來的問題，顯著提升了刮板輸送機運行的可靠性和穩(wěn)定性，降低了設(shè)備運行的故障率，從而為煤礦企業(yè)降低了維護保養(yǎng)成本，經(jīng)過初步分析，每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省維修成本10萬元以上。同時，刮板輸送機的開機時間與之前相比也有了顯著的提升，為提升煤礦開采效率奠定了堅實的基礎(chǔ)。綜上，通過此次刮板輸送機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改進，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，得到了煤礦企業(yè)人員的一致認同。