礦井皮帶輸送機多電機智能控制系統設計*

邵剛超

(山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司東曲礦，山西 古交 030200)

0 引 言

為適應礦井智能化發展需求，皮帶輸送機的運量、運輸距離、運輸速度、運輸功率不斷提升。單電機驅動模式無法滿足皮帶輸送機大運量、長距離、高效率運輸要求。因此，大型皮帶輸送機多采用多電機、多點驅動模式，以滿足礦井輸送需求，以提高輸送系統的穩定性和安全性。多電機多點驅動模式的皮帶輸送機是一個剛柔耦合復雜系統，多電機控制系統是保證皮帶輸送機穩定、高效運行的關鍵，面臨的核心問題是多電機間轉速、轉矩不同步，存在電機功率不平衡問題，這些問題會導致電機過熱、過載，進而引發安全事故[1-2]。因此，提升多電機多點驅動的皮帶輸送機控制系統性能，保證電機間轉速、轉矩同步，電機輸出功率平衡，成為亟需解決的問題。為從本質上解決皮帶輸送機多電機功率平衡控制，眾多專家提出了基于轉速-電流功率平衡、直接轉矩控制、矢量控制、電流控制功率平衡等多種方法，用以實現多電機動態、自適應調速。筆者以礦井皮帶輸送機為研究對象，基于電流差值與電動機啟動時間相結合的變頻調速方法，動態調整機頭、機尾電動機輸出轉速、輸出轉矩，達到皮帶輸送機輸出功率動態平衡、智能控制的目的。

1 系統總體設計

1.1 設計目標

多電機驅動的皮帶輸送機存在啟動困難、啟動電流大、對電網沖擊大、機頭/機尾功率不平衡以及機械損耗過高等問題，嚴重影響皮帶輸送機運行質量和運行效率。因此，多機驅動的皮帶輸送機智能控制系統設計目標為：①解決啟動電流大、機頭/機尾功率失衡問題；②設計交互式人機控制平臺，實現皮帶輸送機的智能控制。

1.2 設計原理

多電機驅動的皮帶輸送機啟動過程中存在機頭、機尾功率不平衡問題，根據文獻[3]可知，皮帶輸送機機頭、機尾等效電機的輸出功率可分別表示為式(1)、(2)：

P1=M1ω=M12πn1

(1)

P2=M2ω=M22πn2

(2)

其中M1、M2分別為皮帶輸送機機頭、機尾輸出轉矩，單位為N·m，且M1、M2可分別表示為式(3)、(4)：

(3)

(4)

式中：n1、n2為機頭、機尾電動機輸出轉速，r/min；W為皮帶輸送機上鏈、下鏈總負載阻力，N；k1、k2為機頭、機尾電動機的機械系數，為定值；d1、d2為機頭、機尾電動機截距，m；i為機頭、機尾減速器傳動比，為定值；R為皮帶輸送機鏈輪半徑，m。由式(1)～(4)可知，皮帶輸送機機頭、機尾輸出功率相對差值可表示為式(5)：

(5)

圖1 基于電流差值的功率平衡控制原理

另根據文獻[4]研究可知，皮帶輸送機機頭、機尾功率分配與啟動順序、啟動時間間隔相關，研究結果見表1所列。測定并統計機頭、機尾電動機啟動時間間隔為1、3、5、7、9 s時機頭、機尾最大張力以及機頭、機尾功率差值。由表1可列，啟動間隔為3 s時，機頭、機尾調動及的功率差最小，為0.428 5 kW。

表1 皮帶輸送機空載啟動機頭、機尾最大張力以及功率差值統計

1.3 總體方案

根據系統設計目標、設計原理，礦井皮帶輸送機多電機智能控制技術總體設計方案見圖2所示。機頭由電動機1、電動機2雙機驅動，可等效為電機1；機尾由電動機3驅動，可等效為電機2。該方案的控制核心為皮帶輸送機智能控制器，同時控制變頻器1、變頻器2，實現對等效電機1、等效電機2的變頻控制。皮帶輸送機控制器同時接收機頭等效電機1、機尾等效電機2的實時電流，根據電流差值完成對電動機的變頻PID調速。

圖2 礦井皮帶輸送機多電機智能控制系統設計方案

2 系統硬件設計

礦井皮帶輸送機多電機智能控制系統所需的關鍵硬件包括智能控制器、變頻器以及電流傳感器。智能控制器選用InterControl公司DCFI控制器，該控制器尾整體式結構，內嵌軟PLC LD指令處理器，處理速度可達1微秒，輸出頻率可達40 MHz，配置有8路PWM輸出，CAN、CANopen以及Modbus總線接口，滿足皮帶輸送機智能控制需求[5-6]。變頻器選用的型號為ABB公司的ACS800-104-0175-3，該變頻器采用降低諧波、變感式電抗器技術，抗擾能力強；配置CAN、CANopen總線通信接口，可與外置控制相連；內置RFI濾波以及多點V/F曲線，能夠適應礦用惡劣、復雜條件[7-8]。電流傳感器選用的型號為OHR-ES10-01-L2-D，該電流傳感器采用卡式安裝結構，具有強抗擾能力、高精準測量的特點；輸入信號既可以是單項交流信號也可以是直流信號，頻帶寬度可達20～5000 Hz；輸出為4～20 mA電流信號或者1～5 V電壓信號，響應時間小于400 ms；過載能力為2倍標稱輸入，可持續5 s。根據總體設計方案，皮帶輸送機智能控制器輸入、輸出端口地址分配表見表2所列。

表2 皮帶輸送機智能控制器輸入/輸出端口地址分配

3 系統軟件設計

礦井皮帶輸送機多電機智能控制系統軟件基于CodeSys3.5平臺編程實現。根據皮帶輸送機智能控制系統總體設計以及硬件端口地址分配表，采用ST語言編程實現。皮帶輸送機智能控制器周期性地采集機頭、機尾等效電機的實時電流值I1、I2，并將該值與Imax、Imin以及差值ΔI進行比較，根據比較結果控制機頭、機尾等效電機輸出功率。當I1/I2=1時，表明此時機頭、機尾電動機輸出功率保持平衡；當I1/I2≠1時，表明此時機頭、機尾電動機輸出功率失衡，存在過載、欠載問題。假定ΔI=I1-I2，分別討論ΔI>0、ΔI<0、ΔI≤5%Ie、ΔI≥10%Ie、5%Ie≤ΔI≤10%Ie工況時對機頭、機尾等效電動機的控制，詳見圖3所示。

圖3 礦井皮帶輸送機多電機智能控制系統軟件流程

4 試驗驗證

4.1 試驗條件

以西山煤電東曲礦皮帶輸送機為對象，驗證該多電機智能控制系統的正確性和適用性。該皮帶輸送機的主要技術參數見表3所列。采用機頭驅動模式，且機頭由2臺額定輸出功率為2 000 kW的異步變頻電動機驅動；機尾布置一臺2 000 kW異步變頻電動機。

表3 東曲礦用皮帶輸送機主要技術參數

4.2 試驗過程

分別記錄皮帶輸送機運輸不同密度的煤料時的帶速、單位長度質量、功率、能量消耗率、電機運行頻率、變頻器反饋速度、傳感器采集速度等值，形成統計，見表4所列。

表4 東曲礦皮帶輸送機運行數據統計

4.3 試驗結果

由表4可知，在皮帶輸送機運量為3 000 t/h時，煤料密度越大，帶速越低，運行頻率越高，機頭、機尾電動機輸出功率差值越大。采用該多電機智能控制方案后，機頭、機尾輸出功率差值保持在1.0～2.0 kW之間，較好的保證了機頭、機尾電動功率平衡，保障了皮帶輸送機安全運行。

5 結 語

以礦井皮帶輸送機為研究對象，重點分析了多電機功率平衡電流差值設計原理，并完成多電機智能控制系統的設計：①分析了皮帶輸送機多電機智能控制設計目標以及設計原理；②給出皮帶輸送機多電機智能控制系統總體設計方案，軟硬件組成及實現；③完成上述方案的試驗驗證。結果表明：該方案能夠動態、自適應調節機頭、機尾電動機功率，保證皮帶輸送機穩定、高效、連續運行。