帶式運輸機電控系統設計開發*

王素玲

(山西省節能中心有限公司，山西 太原 030045)

0 引 言

煤礦帶式運輸機是必不可少的煤炭運輸設備，扮演著非常重要的角色，具有長距離、大功率、運輸能力強、能耗低的特點[1]。傳統煤礦運輸機采用液力耦合器配合行星減速機進行工作，存在啟動瞬時電流大、皮帶加載時間短、張力變化過快等缺陷，而且多電機方式進行驅動，雖增加了運輸距離，但常因多電機功率不平衡導致皮帶張力突變或是運輸速度不穩定，降低了皮帶壽命[2]；原有的電控系統監測能力不足，無法實現故障精準定位，設備聯控能力差，無形中增加了現場管理難度[3]。

筆者提出以PLC控制技術為基礎，借助變頻自動調速技術、傳感檢測技術、網絡通信技術為基礎的一套新型的帶式運輸機電控系統設計方案。通過變頻調速系統的作用，不僅實現了運輸機的軟啟動，而且系統可通過運輸機實時工況自動調整電機的轉速、皮帶的張力大小，顯著提高了皮帶的壽命。

1 系統整體方案設計

電控系統由遠程上位機、PLC控制器、聲光報警裝置、變頻調速單元、傳感檢測裝置等組成。系統框圖如圖1所示。遠程上位機與PLC控制器之間通過工業以太網進行數據雙向傳輸。

圖1 系統總體框圖

其中，遠程上位機負責監控現場設備的運行狀態，包括變頻調速系統運行參數、運輸機的運輸重量、運輸機的電機電流、溫度、轉速及轉矩等，以曲線形式進行顯示，同時具備數據分析、存儲、故障報警、遠程調速控制等功能；PLC控制器是系統核心設備，負責運輸機工況參數的實時處理，包括各種數字量、模擬量，并根據實際運行情況作出動作判斷，在PLC中內置了現場設備聯動控制策略、故障精準定位策略、運輸機變頻調速策略、軟啟動策略；聲光報警裝置用于工況數據超限報警及故障報警，系統傳感檢測裝置負責對帶式運輸機進行全生命周期的動態監測，并上傳給PLC控制器；變頻調速系統通過接收PLC的控制指令，改變自身工作頻率和電壓來自動調節運輸機電機轉速，完成對運輸機的變頻調速。

2 硬件方案設計與選型

2.1 PLC主控制器選型

根據礦井的實際工作環境需要以及帶式運輸機電控系統的要求，文中采用西門子的S7-300系列PLC控制器作為核心處理器，同時配置模擬量、數字量模塊、通信模塊、電源模塊等完成控制。

系統涉及電機溫度、轉速、轉矩、電流等多個模擬量及設備啟停信號等數字量，根據輸入輸出點數，擴展了SM321數字量輸入模塊、SM322數字量輸出模塊，用于對運輸機各類啟停信號、開關信號進行顯示計量，同時發布控制信號；SM331模擬量輸入模塊，用于連接電流傳感器、溫度傳感器等各類模擬量傳感器，將數據轉換處理為PLC可接受的信息。

2.2 傳感器檢測模塊設計與選型

電控系統需要采集的參數包括電機溫度、轉矩、轉速、運輸機的電參數以及皮帶機實時運輸煤量。

溫度傳感器采用了鉑電阻PT100傳感器，用于檢測電機繞組和軸承的實時溫度，當溫度超限時，電機電源將會切斷；運輸機電參數的測量采用了電參數采集模塊EDA9033A，可對運輸機的電壓、電流、功率等參數進行采集，該模塊同時兼顧 RS232和RS485通訊接口。電子皮帶秤采用ICS-ST型防爆皮帶秤，用于檢測運輸機運送煤炭的速度和重量。

整個電控系統采用了多數量多類型傳感器，同一類型的多個傳感器采用數字排序標記的方式安裝在運輸機的不同部位，并設置好相應的檢測程序，這樣便可對運輸機進行故障的精準定位，上位機上可顯示對應位置的參數信息，超限預警。

2.3 變頻調速單元設計

變頻調速單元是運輸機實現平滑穩定控制的重要執行部分，需要借助電機轉速、轉矩，皮帶運輸煤量等參數，來進行對電機轉速的自動調控。

電控系統通過交直交變頻器來進行工作。根據電機的工作原理，電機的轉速與電源的輸入頻率、輸入電壓是正比關系，實現電機轉速的自動調整，通過改變電源的輸入頻率和電壓即可：

(1)

式中：n為轉速；f為電源的輸入頻率；s為電機轉差率；p為電機的極對數。

交直交變頻器具備較寬的調節范圍，啟動電機時加速度可控制在0～0.05 m/s2之間，通過軟起動方式可實現運輸機“S”曲線啟動，避免啟動電流大造成的沖擊問題。

系統變頻器選用了INVT-CHV190系列變頻器，具體型號為CHV190-200G-6，該變頻器為矢量控制型變頻器，系統對于一套運輸機配置兩臺變頻器，同時具備主從控制功能，兩臺變頻器的功率完全相同，主機采用速度模式，從機采用轉矩模式。

3 系統軟件方案設計

軟件程序根據S7-300PLC控制器，采用STEP7軟件對其進行程序開發，可將PLC的功能盡可能利用起來，線上線下都可進行程序編程。

針對運輸機電控系統，采用模塊化程序的設計理念，將系統程序統一劃分為主程序和各功能子程序，當進行某一功能運行時，由主程序統一調用子程序來完成。運輸機控制包括兩種模式，自動和手動方式。自動模式下可根據電機轉速、轉矩、煤量多少等參數自動調節皮帶的運行速度。其中，子程序包括運輸機軟啟動子程序、自動變頻調速子程序、功率平衡控制子程序、運輸機啟停子程序、緊急制動子程序，同時還有聲光報警子程序、傳感數據檢測子程序、功能保護子程序等。圖2所示為運輸機啟動的程序框圖。電機啟動以軟啟動曲線的方式進行。

圖2 運輸機啟動流程框圖

4 系統實際應用效果

中煤平朔井工三礦自2019年投入該電控系統以來，經過近兩年的運行監測，運輸機電控系統運行穩定正常。通過傳感器數字排序方式檢測，遠程控制室可有效、精準地判定故障發生的位置以及故障原因，提高了管理效率。通過引入變頻調速系統，改變了電機啟動方式，實現了平滑啟動，提高了皮帶機的壽命；電控系統自運行以來，運行效率和經濟效益顯著提升，經估算，系統投入以來平均每年節省的人工成本、設備維修費用、材料費用共計約 50萬元，系統投資改造成本小，非常值得推廣。

5 結 語

傳統運輸機控制系統已無法滿足目前煤礦運行和管理發展的需求，文中設計了一套運輸機電控系統，可實現故障的精準定位和電機轉速的自動變頻調控，通過PLC控制器輸出不同的模擬信號改變變頻器的頻率，便可改變帶式輸送機的帶速，調整張力的大小；此外，“S”曲線式平滑啟動避免了啟動沖擊電流對電機的損傷，顯著提高了運輸機運行的穩定性和效率，降低了煤礦的運營成本，具有一定的參考和推廣應用價值。