煤礦用帶式輸送機多機變頻控制系統研究

何興霖

（鐵峰煤業公司， 山西 右玉 037200）

引言

煤礦用帶式輸送機廣泛用于綜掘、綜采工作面煤料、物料的連續運輸，具有運輸量大、運輸距離長、連續運輸時間長的特點。隨著煤礦開采智能化進程的不斷推進，帶式輸送機的運輸任務、運輸要求逐漸提高。因此帶式輸送機經歷了由單電機驅動、雙電機驅動到多電機驅動的過程。雙電機驅動模式的帶式輸送機的機頭、機尾各有一臺電動機，共同驅動前后滾筒實現帶式輸送機的連續運轉[1-2]。多電機驅動即在帶式輸送機的中間段增加多個驅動點，實現多點多滾筒驅動，提高了帶式輸送機的驅動能力。多電機帶式輸送機驅動系統復雜，多電機間需協調控制，否則會出現多電機功率不平衡問題，嚴重時甚至造成電機過載、欠載運行，損壞電氣設備[3]。因此，研究多電機驅動模式的帶式輸送機控制系統成為亟需解決的問題。文章以多機驅動的礦用帶式輸送機為研究對象，利用CAN、TCP/IP 以及變頻控制技術，實現多機變頻控制系統。

1 總體設計

煤礦用帶式輸送機多機變頻控制系統總體設計架構如圖1 所示，由調度層、控制層兩層結構組成。調度層為帶式輸送機控制上位機系統，用于實時顯示設備的運行狀態、故障信息以及設置的參數信息。同時通過該上位機可實現帶式輸送機的遠程啟停、遠程監測等功能。調度層與控制層之間以TCP/IP 通信模式完成數據以及指令的交互?？刂茖訛閹捷斔蜋C控制系統的驅動和執行單元，核心控制器同時控制1 號、2號變頻器，進而完成對電動機M1、M2 的變頻控制，最終驅動機頭滾筒、機尾滾筒轉動，帶動皮帶正向或者反向運行。核心控制器與1 號、2 號變頻器之間以CAN 總線通信方式完成控制以及數據傳輸。核心控制器根據皮帶負載的變化實時調整帶速，避免出現空載或者超載現象，實現帶式輸送機的最優節能利用。

圖1 帶式輸送機多機變頻控制系統總體設計框圖

2 硬件設計

帶式輸送機多機變頻控制系統的核心硬件包括變頻器和控制器。變頻器選用西門子礦用高精度矢量變頻器MASTERDRIVES VC，該變頻器采用矢量控制技術，基于CAN/CanOpen 總線通信模式實現與控制系統的數據交互，利用編碼器、速度傳感器實現信號實時反饋，并形成高精度速度雙閉環控制，進而實現對帶式輸送機機頭、機尾電動機的變頻控制[4-5]。根據機頭、機尾電動機額定功率、額定電流的指標，選取該變頻器的額定容量輸出需滿足式（1）：

式中：Ue為機頭、機尾電動機的額定電壓，V；Ie為機頭、機尾電動機的額定電流，A；N 為電動機數量，該系統中變頻器與電動機為“一拖一”控制模式，該值取1；K 為變頻器輸出波形修正系數，取值范圍為1.05～1.1，此處取1。

選取的變頻器的過載容量需滿足式（2）：

式中：Ns為該系統同時啟動的電動機的數量；Is為電動機的額定電流，A。

選取的變頻器的額定電流需滿足式（3）：

式中：IN為選取的變頻器的額定電流，A。根據帶式輸送機機頭、機尾電動機技術參數，選取的變頻器的額定功率為630 kW，額定電壓為660～690 V，額定電流為715 A，額定輸出電流為650 A。

根據帶式輸送機變頻控制系統要求，選用的核心控制器為西門子S7-315-2DP PLC，其高速處理能力、模塊快結構設計、CAN/CanOpen/TCP-IP 等集成化通信接口滿足對變頻器的控制要求[6-7]。另外，需選取PS307 電源、IM153-4 模塊接口、CP343-1 TCP/IP 模塊、SM331 模擬量模塊、SM321 數字量輸入模塊和FM350-2 數字量輸出模塊，共同組成核心控制系統。

3 軟件設計

帶式輸送機多機變頻控制系統軟件設計基于模塊化設計思想、西門子博圖開發平臺實現。根據總體設計要求，帶式輸送機多機變頻控制系統軟件主要模塊包括多機軟啟動控制模塊、多機功率平衡模塊、邏輯控制模塊以及綜合保護模塊等[8]。帶式輸送機多機控制系統軟啟動控制流程，如圖2 所示。核心控制器接收到電動機啟動命令后，需檢驗綜合保護系統是否正常，如果異常，則拒絕啟動并發出聲光報警。當綜合保護系統正常后，手動控制制動閘送電，當制動閘門打開并正常送電后，核心控制器按照S 曲線控制1 號變頻器以及2 號變頻器的輸出頻率從零開始增加，當帶式輸送機的速度大于0.16 m/s 時，延時2 s，根據帶式輸送機負載情況增加變頻器的輸出頻率。當帶式輸送機的速度大于1.6 m/s 后，變頻器輸出運行信號，即指示采煤機可啟動。

圖2 帶式輸送機多機變頻控制系統軟啟動流程

帶式輸送機由機頭、機尾兩個電機共同驅動前后滾筒運行，進而帶動皮帶正向或者反向運行，存在多機功率平衡問題。帶式輸送機多機變頻控制系統功率平衡控制流程如圖3 所示，核心控制器實時采集1 號電動機以及2 號電動機的輸出電流，當電動機輸出電流的增量小于額定輸出電流的5%時，增加變頻器的輸出頻率，當電動機轉速達標且變頻器的輸出頻率穩定時，滿足功率平衡，否則重新采集電動機的輸出電流。當電動機輸出電流的增量大于額定輸出電流的5%時，減小變頻器的輸出頻率。

圖3 帶式輸送機多機變頻控制功率平衡流程

4 應用情況

為驗證帶式輸送機多機變頻控制系統的正確性和適用性，在鐵峰煤業某煤礦進行工業試驗。帶式輸送機啟動時，對啟動速度進行記錄并觀察啟動速度的穩定性，發現空載且恒速爬坡階段帶式輸送機的實際運行速度同步于給定速度，速度的穩定性較好，并穩定于給定速度1.6 m/s，保持穩定運行，最大加速度小于0.1 m/s2，啟動時帶式輸送機各部件承受的動載荷較小，受到的沖擊力較小。帶式輸送機實際運行過程中負載變化時，機頭機尾電動機轉速以及帶速略有下降，當啟動功率平衡控制策略后，帶速在很短時間內恢復至給定速度，機頭機尾電動機的輸出力矩平衡，輸出功率平衡。即帶式輸送機能夠根據負載的變化輸出負載需要的轉矩，響應負載變化，保證帶式輸送機穩定、正常運行。