礦井皮帶運輸機變頻控制系統設計

任世杰

（同煤集團臨汾宏大虎峰煤業，山西運城 043300）

0 引言

在大型煤礦運輸過程中，皮帶輸送機屬于重要的運輸設備，其具有結構簡單、運輸安全、便于維護、自動控制等特點。特別對于井下工況環境特殊，如運輸線路比較長、空間相對狹小等，皮帶輸送機是井下采煤運輸的最佳選擇。皮帶輸送機在運輸過程中，需要消耗大量的電能，屬于高耗能裝置。對于傳統的皮帶輸送機而言，其控制形式比較單一，同時選用恒轉速開環控制形式。假如采煤量比較小時，這時運輸機依舊以高速度運行，加劇了電能的消耗，造成不必要的經濟成本浪費。經過統計發現，當前我國煤礦皮帶機工作效率低于60%，與科技發達國家相比還存在一定的差距。當前，采礦公司為了降低能耗，在皮帶輸送機上都設置了變頻控制驅動電機，但并未對皮帶輸送機的動態監測與多驅動電機的功率進行合理分配，同時還存在變頻控制精確度不高等［1］。基于此，本文設計了PLC控制的變頻皮帶輸送機控制系統，其可以借助PLC對運輸機的控制，進一步依據煤流量實現對電機頻率的實時控制。在對運輸機進行軟控制時可以選用變頻器，其具有實現運輸機的無機調速以及系統的智能控制兩個功能，進一步提升運輸系統的自動化與智能化水平。

1 系統設計總體方案

1.1 系統架構

在設計時，皮帶輸送機選用雙驅動的形式，其電機功率與體型方面占有絕對的優勢，但在使用時需要采用較大功率的啟動電流，同時輸出功率不平衡，因此必須設計一個適合井下皮帶輸送機雙機驅動的系統［2］。

本文設計的皮帶輸送機包括以下3大部分。

（1）運行監測層。運行監測層包括電參數采集單元、帶速傳感器單元、皮帶秤單元、電機轉速傳感器。其中電參數采集單元主要可以采集電機參數，如電流、功率；帶速傳感器可以實現監測皮帶運行速度；電機傳感器可以采集電機轉動的相關參數；皮帶秤可以采集運量數據。

（2）PLC控制層。其屬于控制核心層，收集各個環節的參數，同時完成參數的處理與分析，以及完成皮帶輸送機的啟動與變頻等操作。

（3）控制執行層。通常變頻器可以借助PLC發出的頻率來控制信號的輸出頻率，同時將其傳輸給電動機，進而可以達到控制電機啟動與變頻等功能。圖1所示為系統總體結構框架。

圖1 變頻控制系統總體結構

1.2 功率平衡控制策略

由于設備的電機型號相同，供電條件也相同，因此可以認為電機的功率因數也相同，進而使用負載電流作為功率平衡的條件［3］。

電機在運行過程中通常可以劃分為如下3種：2臺電機都處于電動狀態；1臺工作于電動，而另1臺處于發電狀態；2臺均工作于發電狀態。假如2臺電機都處于電動的工作狀態下，那么將負載電流設為正；假如電機處于發電狀態，那么可以把負載電流設置為負。當PLC接收到信號之后，對電流信號進行計算，進而得到電流的平均值，以IP為基準值，將Im與之比較，分別得到差值k1＝I1－IP，k2＝I2－IP，…，kn＝Im－IP。假如時，則該電機頻率不需要進行調節；假如時，則把該電機的頻率調下；假如時，則把該電機的頻率調大。

對于1臺發電、1臺電動的狀態時，可以使用控制器比較2個電機電流的絕對值。假如發電機的電流數值比較大時，那么等價于輸送機處于牽引的狀態，因此需要降低電動機的頻率。反之，電機牽引運輸機，這時可以通過增加發電機的頻率，進而可以使其處于電動狀態［4］。

2 硬件電路設計方案

圖2 所示為皮帶運輸機變頻控制系統驅動主電路設計，該工頻分站三相電，主要借助控制柜的輸入端輸入信號，在此過程中需要借助濾波器、阻抗進行整流，而輸出的交流電需要借助電阻抗與濾波器進行處理，最終將其輸送給電機，當電機運轉之后，可以實現皮帶機工作。

圖2 變頻控制系統驅動主電路

在該系統中，PLC控制器核心硬件，型號為西門子S7－300，中央控制器型號選用CPU226，相應的輸入輸出模擬量選用SM331、SM332，可以實現各個參數的輸入處理與輸出轉換。在進線端配置有輸入電抗器，可以有效地對諧波電流進行抑制，進而能夠有效地降低對電網的影響。與此同時，當電壓處于不平衡狀態時，輸出阻抗器能夠有效地改變對變頻器的影響。

變頻器在工作過程中往往會產生電磁，從而對控制器產生一定干擾，同時可能引發保護設備的誤動。借助濾波器可以有效地起到抑制電磁干擾的作用，對設備誤動起到一定的抑制作用，提升設備的安全運行［5］。當系統處于井下惡劣的工況條件下，控制柜不能設置在驅動機附近，可以設置輸出電阻器來增加導線，與此同時能夠較好地抑制變頻器開關動作帶來的沖擊電壓，從而可以極大地提高電纜的絕緣強度與安全運行情況。輸出濾波器可以有效地消除輸出電流中的高次諧波，從而能夠保護電機。與此同時，可以降低能耗以及提高電能的使用率。

3 軟件方案設計

當CPU得電之后，能夠調用系統的主程序，假如遇到中斷，那么將會執行中斷程序之后，反過來執行主程序。通常系統的主程序包括運輸機啟動控制程序、運輸機停比控制程序、故障保護程序等。當變頻系統啟動之后，對啟動條件進行判斷，假如外部電路滿足啟動條件，諸如電機滾筒、變頻器不存在任何故障，那么即可啟動程序。啟動時主電路首先閉合，經過5 s的延時之后，進入變頻模式。假如電機達到設定的速度時，還應保證電機保持正常的電流，這時系統啟動結束。圖3所示為運輸機啟動程序流程。

圖3 運輸機啟動程序流程

當按下停止按鈕之后，PLC將會輸出停止按鈕，從而使得主電路器斷開，經過短暫延時之后將會停止變頻。圖4所示為相應的運輸機停止程序流程［6］。

圖4 運輸機停止程序流程

系統在工作時，可以把PLC設定的速度參數傳輸給變頻器，接著變頻器可以接收到調速信號，進而實現調節。假如出現過流現象，那么系統將會立即發出停止指令，反之運輸機達到設定的速度之后可以趨于穩定地運行。圖5所示為相應的調速控制程序流程。

圖5 運輸機調速控制流程

4 變頻控制的主要技術優勢

變頻控制的主要技術優勢如下。

（1）有效掌控皮帶運輸機的軟啟動過程。電機的緩慢啟動是通過變頻調速技術達成的。另外，變頻調速技術對于皮帶內部的能量也可以實現很好地調控，起到保護機械和皮帶的作用。

（2）調節皮帶強度。變頻調速技術的優點在于可以實現在一定時間內啟動，然后對部分啟動時間加以增補，這樣就可以通過分擔的方式來減弱皮帶的強度，很大程度上降低了購買皮帶的成本和維護成本［7］。

（3）引入主從式低壓變頻調速系統，使得在多個電機共同作業的情況下，轉矩不平衡問題得到很好解決。

（4）可節能降耗。通過變頻器對皮帶輸送機運行過程中的速度大小加以調整，在皮帶運輸機的負重發生變化時，運行速度也會相應發生改變，起到了節約能源消耗的效果［8］。

5 結束語

本文開發的井下皮帶運輸機變頻系統經過實踐發現，其具有平穩性，不僅可以實現變頻調節，而且能夠極大地降低能量消耗。經過檢測發現，電機啟動電流之后，其對供電系統產生的沖擊比較小，能夠極大地提高系統的性能、控制精度與穩定性，表現出良好的經濟性。