長距離圓管帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與實(shí)現(xiàn)

王珺

摘 要：采用西門子S7-400冗余PLC做為主控制器，利用Profibus-DP總線通訊組成控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)長距離圓管帶式輸送機(jī)驅(qū)動采用變頻電機(jī)，選用ABB變頻器恒轉(zhuǎn)矩控制，合理的控制策略協(xié)調(diào)多臺電機(jī)的同步。皮帶保護(hù)裝置通過DUP-Line總線連接匯入控制系統(tǒng)，通過友好的人機(jī)界面實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)行人員現(xiàn)場系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：變頻器；現(xiàn)場總線；主從控制

中圖分類號：TD528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 項(xiàng)目概況

漳州古雷碼頭至騰龍熱電廠長距離輸煤系統(tǒng)，系統(tǒng)總長6km多（一條圓管式皮帶機(jī)5800m，兩條普通平皮帶300m）。項(xiàng)目建成后將完全取代現(xiàn)有汽車由碼頭至電廠的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，給整個(gè)熱電廠穩(wěn)定運(yùn)行提供燃料保證的同時(shí)，也對改善整個(gè)工業(yè)園區(qū)環(huán)境起到至關(guān)重要的作用。所以要求系統(tǒng)能夠處于長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這就要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為運(yùn)行人員和檢修人員提供準(zhǔn)確的運(yùn)行參數(shù)信息。

2 系統(tǒng)基本參數(shù)說明

運(yùn)送物料：原煤

堆積密度：0.8t/m3

運(yùn)輸量：2000t/h

機(jī)長：5800m

傾角：2.3°

提升高度：28m

帶寬：1900mm

帶速：4.5m/s

主機(jī)功率：6×800kW

主機(jī)電壓：690V

根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，驅(qū)動系統(tǒng)配置為皮帶機(jī)頭尾兩端驅(qū)動，電機(jī)采用無諧波變頻器輸出驅(qū)動。電機(jī)功率為每臺800kW，考慮到輸送機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩較大，故選用6臺容量為1000kVA的變頻器；并且每臺變頻器的的功率單元的電流值選為1020A，而每臺電機(jī)的額定電流為800A，完全滿足輸送機(jī)機(jī)啟動時(shí)的過載要求。6臺變頻器采用一拖一方式運(yùn)行，即用6臺變頻器分別驅(qū)動6臺電機(jī)。示意圖如圖1所示。

3 管帶機(jī)驅(qū)動控制方式對比

多驅(qū)動圓管狀帶式輸送機(jī)的驅(qū)動控制方式主要分為機(jī)械式控制和電氣控制啟動：機(jī)械軟起動，主要代表是液力耦合器，這種方式主要的優(yōu)點(diǎn)是控制點(diǎn)少，由于不需要控制系統(tǒng)控制，減少了控制策略的選擇；缺點(diǎn)是調(diào)試階段繁瑣，電機(jī)同步性差，多臺電機(jī)間的電流會有不同。電氣軟啟動器：減少液力耦合器，通過電機(jī)軟啟動器來控制電機(jī)的啟動斜率，幾臺電機(jī)同PLC控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)同步策略。由于減少了液藕，機(jī)械維護(hù)環(huán)節(jié)減少；缺點(diǎn)是軟啟動器可調(diào)范圍比較小，對于長距離、多臺驅(qū)動電機(jī)的皮帶機(jī)系統(tǒng)容易出現(xiàn)調(diào)整范圍不夠靈活的情況。變頻器控制系統(tǒng)：啟動策略可以通過變頻器間通訊實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度快，多臺電機(jī)間的同步率高，可有效的保護(hù)系統(tǒng)在啟動階段對皮帶的損害。缺點(diǎn)是相對價(jià)格會偏高，配電系統(tǒng)相對復(fù)雜一些。

4 變頻電機(jī)同步策略的選擇

由于管帶機(jī)的頭部和尾部電機(jī)之間是特殊的軟連接關(guān)系，在直接投網(wǎng)運(yùn)行時(shí)很容易出現(xiàn)兩電機(jī)輸出功率的偏差很大，即所謂的輸出功率不平衡的問題。不能處理好這個(gè)問題，既對電機(jī)產(chǎn)生損害，也對膠帶的使用壽命產(chǎn)生影響。在這個(gè)項(xiàng)目上我們選用如下同步策略：同驅(qū)動滾筒的兩臺驅(qū)動速度同步，不同驅(qū)動滾筒的三組驅(qū)動力矩同步。電氣主回路如圖2所示。

以TH2轉(zhuǎn)運(yùn)站尾部兩臺電機(jī)為例，兩臺變頻器之間采用以太網(wǎng)絡(luò)形成點(diǎn)到點(diǎn)通信，相互之間傳送速度和力矩信號，主機(jī)1#變頻器是速度控制（speed）通過DP網(wǎng)絡(luò)或直接AI輸入點(diǎn)獲取系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)行速度，從機(jī)2#變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制（torque），通過以太網(wǎng)通信獲取1#主機(jī)的實(shí)際輸出力矩，動態(tài)跟隨主電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化而同步輸出相同力矩，保證兩臺電機(jī)負(fù)載平衡。在正常的運(yùn)行范圍內(nèi)，從機(jī)的速度調(diào)節(jié)器（speedcontroler）輸出為零，從機(jī)時(shí)刻跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定（torqueref1），保持了負(fù)載的平衡。TH4轉(zhuǎn)運(yùn)站4臺電機(jī)與TH2相同配置，其中3、4#電機(jī)為一組，5、6#電機(jī)為一組，分別組成一組主從應(yīng)用。

通過通信功能，可以完美實(shí)現(xiàn)每一組電機(jī)內(nèi)部的負(fù)載分配和同步。為了實(shí)現(xiàn)三組傳動點(diǎn)之間的負(fù)荷分配，三組變頻器中的主機(jī)之間可以采用變頻器速度同步+力矩跟隨方式來完美實(shí)現(xiàn)，具體方案如下：1、3、5#變頻器同時(shí)接受DCS系統(tǒng)或上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的相同的啟動命令和設(shè)定速度，同時(shí)，除了1#主機(jī)（可以根據(jù)工藝需要指定）外，3、5#變頻器內(nèi)部的力矩環(huán)PID開始根據(jù)實(shí)際的輸出力矩進(jìn)行計(jì)算，微量調(diào)整變頻器實(shí)際的輸出速度，使負(fù)載高的變頻器輸出速度略微降低，減少負(fù)載，而負(fù)載低的變頻器輸出速度略微升高，增加負(fù)載，以此來實(shí)現(xiàn)三組傳動點(diǎn)之間的負(fù)荷平衡。

5 PLC控制系統(tǒng)參與實(shí)現(xiàn)變頻器的主從控制

PLC控制系統(tǒng)是整個(gè)多機(jī)驅(qū)動帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它與變頻調(diào)速裝置配合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。本方案PLC控制系統(tǒng)核心器件采用西門子公司的step7-400H系列PLC，并采用冗余結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，控制部分主要包含以下設(shè)備：2個(gè)PLC主站（冗余），3個(gè)分布式I/O站和1套組態(tài)軟件。主站和從站間采用Profibus-DP總線通訊連接，由于頭部從站與尾部從站間的距離遠(yuǎn)，通過光纖鏈路模塊將電信號轉(zhuǎn)化成光信號傳輸，來保證通訊速率達(dá)到要求。

同時(shí)皮帶機(jī)各保護(hù)儀表及保護(hù)裝置通過DUP-Line總線編碼地址后接入控制系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了對觸動保護(hù)裝置位置定位。快速定位，及時(shí)處理，減輕了運(yùn)行、檢修人員日常巡檢的工作量。

結(jié)語

總之目前國內(nèi)長距離皮帶輸送機(jī)越來越多，合理選擇控制系統(tǒng)既有利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，也有利于降低皮帶帶強(qiáng)，降低造價(jià)。本項(xiàng)目選擇變頻器驅(qū)動電機(jī)，很好的解決了多臺電機(jī)間的功率同步、速度一致的問題。也有效抑制帶式輸送機(jī)動態(tài)張力波可能對輸送帶和機(jī)械設(shè)備造成的危害，延長輸送機(jī)使用壽命，增加輸送系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在長運(yùn)距帶式輸送機(jī)中可以逐漸得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]譚棟才.基于總線通信變頻多點(diǎn)驅(qū)動控制系統(tǒng)在長距離下運(yùn)式帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用[C].第三屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新論壇，2008.