皮帶變頻控制系統一體化應用設計

摘要：傳統皮帶控制系統由高壓開關、變壓器、低壓組合開關等設備連接組合而成，分別放置在不同的列車上，占用距離較長，限制了設備的靈活性，加上各設備間接線繁瑣、技術相對不公開，給維修帶來極大不便。隨著近些年變頻和軟起動技術的日益成熟，對皮帶調速控制的要求越來越高。基于這種趨勢，本文設計了皮帶控制系統的變頻一體化應用。將高壓開關、變壓器、低壓組合開關等高度集成化、一體化，并對皮帶實現變頻調速控制。控制系統采用了工業中比較成熟的PLC控制，并利用西門子的ProfiBus-DP總線技術，大大增加了控制的可靠性和穩定性。

關鍵詞：皮帶控制；一體化；變頻

The integrative design of belt control system with frequency conversion

Abstract：Traditional belt control system connected by high-voltage switch，transformer，low-voltage combination switch and other equipments，were placed on a series of train，taking long distance，limiting the flexibility of the equipment. Due to the complex connection between different equipment and few share of technology，it brings great inconvenience to maintenance. With the recent frequency conversion and soft starting technology becoming more mature in recent years，the need of the belt speed control is increasing. Based on this trend，the paper designs the integrative application of belt control system with frequency conversion. Combined with high-voltage switch，transformer，low-voltage combination switch and other equipments，it realizes the control to belt system by frequency conversion. Taking a comparatively mature industrial PLC control in control system and using ProfiBus-DP technology of Siemens，which greatly enhance the reliability and stability of the control.

Key words：belt control integration frequency conversion

前言

目前，煤礦井下皮帶控制一般由高壓開關、變壓器和低壓組合開關等構成，實現設備的驅動、啟停、綜合保護等功能控制。然而，高壓開關、變壓器和低壓組合開關分屬于不同的技術領域，技術門檻比較高，一般會由不同的廠家來提供。因此，只能將它們放在一個個的平板列車上連接組合起來，這樣距離就會比較長，而采煤時需要經常移動這些設備，就使得運輸時十分麻煩。由于這些設備來自不同的廠家，接口兼容性較差，連線就會相對繁瑣，一旦發生什么故障，就會需要廠家們共同配合解決，不利于設備的維護。在這種背景下，將高壓開關、變壓器和低壓組合開關等設備整合成一體化已經成為煤礦行業未來發展的一種趨勢。

受地質、機電設備等條件的影響，井下皮帶運輸機需要頻繁被啟動。傳統的直接啟動方式，啟動時電流大，頻繁的大電流沖擊對電機造成嚴重損壞，縮短了電機壽命。由于煤礦設備在選型時普遍功率較大，皮帶在運輸時設備工作效率低，造成能耗浪費。另外，直啟方式對皮帶造成了很大的機械沖擊，增加了很多維護工作量。因此，越來越多的皮帶機采用了變頻控制技術。

隨著煤礦行業技術發展的日益成熟，為滿足上述的需要本文設計了一種皮帶控制系統一體化集成設備，它將高壓開關，變壓器和低壓組合開關設計成一個整體。但它不是簡單的將這些設備羅列串聯起來，而是巧妙的從結構、電氣、控制方式等角度將它們整合成為一個高度集成化、一體化、便于運輸的設備。在對皮帶運輸機的啟動方式上采用了變頻和軟起動相結合的控制技術，對皮帶主驅電機采用變頻控制技術，張緊電機采用軟起動控制技術。這樣就可以從根本上解決皮帶控制系統運輸操作難、維護成本高、工作效率低、能耗浪費的問題。

1 系統架構

本文設計的皮帶變頻控制系統包括：高壓開關、移動變壓器、低壓保護系統、主驅變頻器、張緊軟起動、饋電開關、照明保護系統、PLC控制器、顯示控制設備、隔離開關等，其系統架構如下圖1所示。

該系統的核心控制處理單元采用了西門子S7-300 系列的PLC，它具有控制速度快、精度高，抗干擾能力強，集成化高等優點。通訊協議上采用了比較穩定的ProfiBus-DP總線技術，保證了傳輸數據的準確性和可靠性。結合組態技術和控制鍵盤，可以很方便的監控整個系統的運行。組態軟件能夠與PLC良好的兼容，將設備的運行狀態通過圖形化的界面直觀清晰的顯示出來，簡化了系統的操控性。

為充分利用空間，高壓斷路器采用模塊化結構設計，并使用絲杠推進方式，便于后期的維修和更換。為了減小變壓器的尺寸，系統將變壓器的高壓進線和低壓出線設計在了一側，省去了連接法蘭，并采用波紋圓形結構，既減輕了變壓器的重量又增加了散熱面積。

變頻器的散熱采用風冷的方式，通過巧妙設計風道，在對變頻器散熱的同時還可以給變壓器降溫，這樣又可以將變壓器的體積縮小設計。

為了保證斷路器與電纜的可靠連接，系統采用了天津華寧電子有限公司動靜觸頭接法的專利技術。為方便拆卸，采用快開門方式，并利用連桿使隔離開關和快開門互鎖。整個系統的結構效果圖如圖2所示。

2 皮帶調速控制

2.1主驅變頻器

皮帶的兩個主驅電機采用一個500kW的一拖二變頻器控制。當它的上級隔離開關打到運行位置后，變頻器便開始充電，通過鍵盤控制其啟動。此時，通過組態界面可以實時監視和控制變頻器的運行。

主驅變頻具有啟停時間可調的性能，為了達到平穩啟動，還具有S型加減速時間，可以控制皮帶機平穩啟動和停止，將皮帶機啟停時產生的沖擊減到最小，這是其他驅動設備難以達到的，同時降低了機械損壞，減少了皮帶檢修量。

主驅變頻可以根據不同的運行情況實時調節轉速，達到節能和減少機械磨損的目的。當遇到重載啟動時，主驅變頻器可以在小電流時提供大轉矩。當空載驗帶時，主驅變頻器可以調整皮帶機工作在5%～100%額定帶速范圍內的任意帶速，方便低速驗帶。

2.2張緊軟起動

皮帶的張緊電機由一臺軟起和一個換向接觸器組合控制。控制方式有三種：

a）手動模式，通過按緊帶、松帶和停止按鈕，將控制指令發送給PLC，然后PLC控制軟起和換向接觸器，實現對張緊電機的手動正、反轉啟停控制；

b）自動模式，PLC通過采集張力傳感器的數值，自動控制軟起和換向接觸器，將皮帶的張力值維持在正常的數值以內，實現皮帶的自動張緊功能；

c）卷帶模式，它將皮帶的張力保持在0.5kN左右，當張力大于0.5kN小于12kN時制動器松閘，當張力釋放到0.5kN后抱閘。

由于張緊軟起動器能夠無階躍地平穩啟、停張緊電機，避免因采用直接起動、星/三角起動、自耦減壓起動等傳統起動方式啟動電機而引起的機械與電氣沖擊等問題，并能有效地降低起動電流及配電容量，避免增容投資。

3 系統控制邏輯

PLC控制器對整個系統的控制邏輯如下圖3所示：

3.1高壓開關

當上級開關供給電源時，PLC就會通過高壓開關前的變壓器得電啟動，然后通過高壓互感器采集輸入電壓。若輸入的電壓在正常范圍內，PLC就會發出使能信號，此時，高壓開關就可以合閘了。

3.2 低壓保護系統

當高壓開關合閘后，低壓保護系統會進行電壓、電流、絕緣阻值等數據采集，并將它們發送到PLC中進行數據監測和處理，判斷系統的運行狀態，并在系統運行異常時及時分斷高壓開關，保護整套設備的安全。

3.3 低壓用電設備的控制

本系統的低壓用電設備包括：饋電開關、軟起動器、變頻器等，這些設備的啟動均需要兩個步驟：

1）先將對應的隔離開關打到運行位置，使設備得電，啟動。

2）當設備正常啟動后，會向PLC上報參數，PLC通過這些參數判斷設備的工作狀態，如果正常，可以通過操作鍵盤，啟動電機。這些設備的運行狀態都可以通過組態界面實時監測，當設備出現異常或故障時，組態界面便可以及時顯示。而且，通過鍵盤可以對設備的參數進行修改。

4 數據的地面傳輸

隨著信息技術的飛速發展，現階段煤礦對井下設備大都有地面集成控制的要求。本文設計的皮帶控制系統提供了RS485和RJ45兩種通用接口，通過光纖技術將數據傳輸到地面，實現井下無人操作、井上集成控制。

5 總結

通過上面的描述可以看出，本系統具有結構緊湊、體積小、控制集中、維護工作量小、節能等優良性能，可實現井下皮帶設備的地面集中控制，減少井下工作人員，降低運行成本。

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作者簡介：

韓雷（1986—），男，陜西神木人，大學本科，助理工程師，現任大柳塔煤礦連掘三隊隊長。