皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王小雅

（西山煤電集團(tuán)官地礦選煤廠，山西 太原 030022）

煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)主要由皮帶運(yùn)輸機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、提升機(jī)組成，在數(shù)量上以皮帶運(yùn)輸機(jī)為主。老式皮帶運(yùn)輸機(jī)軟起動(dòng)時(shí)需使用液力耦合器或者液力軟啟動(dòng)器，該類設(shè)備的維護(hù)困難、能耗高、機(jī)械磨損嚴(yán)重、維護(hù)費(fèi)用較大，已經(jīng)不能滿足皮帶運(yùn)輸機(jī)智能化建設(shè)需求[1-2]。隨著變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制有助于節(jié)能降耗、增加煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[3]。對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制方案設(shè)計(jì)，達(dá)到變頻調(diào)速、節(jié)能降耗的目的，同時(shí)可提升皮帶運(yùn)輸機(jī)的智能化水平。

1 皮帶運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置分析

皮帶運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置主要有：

1）直流直接驅(qū)動(dòng)，具有低速、過(guò)載能力強(qiáng)、大力矩的特點(diǎn)，但存在價(jià)格高、控制復(fù)雜、維修量大的缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用較少。

2）籠型電機(jī)與減速器直連驅(qū)動(dòng)，具有起動(dòng)時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，但存在起動(dòng)電流大、打滑事故頻發(fā)的缺點(diǎn)，適用于37 kW 及以下小功率中速皮帶運(yùn)輸機(jī)。

3）籠型電機(jī)與液力偶合器復(fù)合驅(qū)動(dòng)，具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可軟起動(dòng)和過(guò)載保護(hù)的特點(diǎn)，但存在多電機(jī)功率不平衡的問(wèn)題[3]。

4）交流電機(jī)與變頻器復(fù)合驅(qū)動(dòng)，具有平穩(wěn)起動(dòng)、功率因數(shù)高、損耗小、可實(shí)現(xiàn)無(wú)極高精度調(diào)速的特點(diǎn)，適用于長(zhǎng)距離、復(fù)雜皮帶運(yùn)輸機(jī)。

常用的變頻控制技術(shù)有V/F 控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等[4-5]。皮帶運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動(dòng)分為單機(jī)驅(qū)動(dòng)、雙機(jī)驅(qū)動(dòng)以及多機(jī)驅(qū)動(dòng)三種。常見(jiàn)的為雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，即1#電機(jī)拖動(dòng)主動(dòng)滾筒，2#電機(jī)拖動(dòng)從動(dòng)滾筒，皮帶在經(jīng)過(guò)一個(gè)導(dǎo)向輪運(yùn)行到井底完成依次運(yùn)煤過(guò)程。皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)以雙機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)雙電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案，以達(dá)到節(jié)能減排、提升智能化控制水平的目的。

2 變頻控制原理分析

雙機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時(shí)，兩部電機(jī)一起工作，啟動(dòng)順序需為前一級(jí)設(shè)備啟動(dòng)后，下一級(jí)設(shè)備方可啟動(dòng)。在前級(jí)閉鎖解除后，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷并具備起車(chē)條件后才能啟動(dòng)。雙機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻控制原理框圖如圖1 所示。皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出起車(chē)指令后，變頻器起動(dòng)。操作臺(tái)按下變頻運(yùn)行信號(hào)，變頻器按照操作臺(tái)給定的運(yùn)行信號(hào)輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機(jī)按給定的S 形曲線軟啟。當(dāng)操作臺(tái)發(fā)出指令使抱閘打開(kāi)時(shí)將關(guān)閉運(yùn)行信號(hào)并使變頻器急停，防止變頻器因堵轉(zhuǎn)而出現(xiàn)過(guò)流跳閘。皮帶運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)煤流量的大小對(duì)皮帶帶速進(jìn)行實(shí)時(shí)變頻調(diào)節(jié)； 當(dāng)皮帶帶速與滾筒速度的差值超過(guò)設(shè)定的閾值后緊急停車(chē)并發(fā)出打滑報(bào)警信號(hào)。

圖1 皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻控制原理

3 方案設(shè)計(jì)

為有效實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)負(fù)載平衡控制，皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示，采用主從方式進(jìn)行控制。定義1#變頻器為主變頻器，2#變頻器為從變頻器，由操作臺(tái)發(fā)送給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間以ModBus RTU 總線通訊模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。1#變頻器作為主控，檢測(cè)1#、2#電機(jī)的運(yùn)行電流，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制2#從變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運(yùn)行。主控變頻調(diào)速系統(tǒng)和從控變頻調(diào)速系統(tǒng)均有外部信號(hào)連鎖控制和狀態(tài)、報(bào)警邏輯信號(hào)輸出，主控變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠(yuǎn)程的“啟動(dòng)”、“停機(jī)”和“緊急停機(jī)”指令，以及來(lái)自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的 “緊急停機(jī)”指令，從控變頻調(diào)速系統(tǒng)接收來(lái)自主控變頻調(diào)速系統(tǒng)的“啟動(dòng)”和“緊急停機(jī)”指令，同時(shí)接收從控變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)的 “緊急停機(jī)”指令。在兩臺(tái)變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC 邏輯程序中進(jìn)行邏輯互鎖，使得兩臺(tái)變頻調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)停機(jī)。

圖2 帶運(yùn)輸機(jī)變頻控制方案設(shè)計(jì)

4 硬件設(shè)計(jì)

皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案中的核心硬件為控制器、變頻器以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。選用的控制器為羅克韋爾的compactlogix 5000 PLC，具有響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、對(duì)外接口豐富的特點(diǎn)。選用的變頻器型號(hào)為1 140 V 礦用隔爆兼本質(zhì)安全性變頻器BPJ1-630/1140（K），該變頻器的主電路采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主功率器件均為國(guó)內(nèi)外一線品牌，可靠性高[6]。主要用于控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。采用高性能的矢量控制技術(shù)，低速高轉(zhuǎn)矩輸出，友好的人機(jī)信息交互，性能穩(wěn)定。可應(yīng)用于煤礦井下、具有煤塵、瓦斯等環(huán)境中。可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)和運(yùn)行過(guò)程中的速度控制等功能。該變頻器具有運(yùn)行可靠性高、功率平衡功能優(yōu)異、對(duì)供電電網(wǎng)其他設(shè)備干擾小的特點(diǎn)。選用的電機(jī)型號(hào)為YB-450M1-4，額定電壓為10 000 V，額定電流為23 A，額定功率為315 kW，額定頻率為50 Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min，功率因數(shù)為0.82，采用Y 型接法。

5 軟件設(shè)計(jì)

皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案軟件設(shè)計(jì)基于RSLogixTM 5000 軟件平臺(tái)并采用ST 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。該軟件平臺(tái)基于IEC1131-3 標(biāo)準(zhǔn)，集成度較高、功能完備、操作簡(jiǎn)單。根據(jù)煤流量信息計(jì)算皮帶運(yùn)輸機(jī)的期望帶速，實(shí)時(shí)采集安裝在皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)身的速度傳感器數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)為帶速實(shí)際值，采用模糊控制算法，以期望帶速與實(shí)際帶速的差值以及差值變化率為輸入信號(hào)，實(shí)時(shí)控制皮帶運(yùn)輸機(jī)加速、減速、恒速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)煤流量超限后出發(fā)語(yǔ)音聲光報(bào)警。皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程理念，先后完成程序編寫(xiě)、模塊測(cè)試、單元測(cè)試以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

6 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻控制系統(tǒng)的正確性和適用性，在山西焦煤西山煤電集團(tuán)官地煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。用于試驗(yàn)的皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的額定功率為1 000 kW，額定頻率為50 Hz，線電壓為380 V，極對(duì)數(shù)為2，磁鏈為0.96 Wb，帶速范圍為1.0～5.5 m/s。機(jī)頭電機(jī)的定子電阻為0.087 Ω，定子漏感為0.85 mH，轉(zhuǎn)子電阻為0.23Ω，轉(zhuǎn)子漏感為0.8 mH。機(jī)尾電機(jī)的定子電阻為0.177 Ω，定子漏感為0.92 mH，轉(zhuǎn)子電阻為0.26 Ω，轉(zhuǎn)子漏感為0.95 mH。皮帶運(yùn)輸機(jī)非滿載運(yùn)行時(shí)，速度、功率、能量效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1 所示，當(dāng)煤量輸送量為1 600 t/h 時(shí)，煤料密度由0.41 kg/m3逐漸增加至1.2 kg/ m3，帶速由3.4 m/s 逐漸減小至1.3 m/s，能量消耗率由0.491 W/kg.m 逐漸降低至0.288 W/kg.m，達(dá)到了節(jié)約電能，降低能耗的目的。

表1 皮帶運(yùn)輸機(jī)非滿載運(yùn)行功率/能耗統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)論

以皮帶運(yùn)輸機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案的硬件、軟件設(shè)計(jì)思路和方法，基于AB 的compactlogix 5000 PLC 控制器，融合變頻控制技術(shù)、ModBus 通訊技術(shù)以及傳感器技術(shù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)并完成系統(tǒng)測(cè)試：

1）設(shè)計(jì)的皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻控制方案，能夠根據(jù)煤流量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶速，杜絕空載、輕載現(xiàn)象，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

2）經(jīng)試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)的皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，提升了皮帶運(yùn)輸機(jī)的智能化水平，有助于提升皮帶運(yùn)輸機(jī)作業(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率。