帶式輸送機電氣控制系統的設計與應用

王中山

（山煤集團煤業管理有限公司， 山西 太原 030036）

引言

帶式輸送機作為煤礦企業的主要運輸設備，承擔著煤炭從工作面到地面的運輸任務，而且隨著近些年來采煤技術及工藝的進步，綜采設備自動化水平的提升，帶式輸送機朝著大運量、長距離、大傾角以及多電機驅動的方向發展。為了確保帶式輸送機的運輸能力及能夠與工作面其他機電設備的生產能力相匹配的可靠性，要求其具有可靠性高、穩定性好的電氣控制系統對其運行狀態進行實時、準確、有效的控制[1]。本文將對帶式輸送機的電氣控制系統進行設計并對其應用效果進行分析。

1 工程概況

本文以工作面年生產能力80 萬t 的礦井為例，礦井工作面采用的運輸設備能力僅為59.4 萬t/年，加之運輸系統還肩負著工作面排矸的任務。因此，針對工作面煤炭的運輸能僅為45 萬t/年，無法滿足實際生產需求。因此，為全面提升綜采工作面的產煤量及產煤效率，需將工作面所有設備的生產能力相配套[2]。故，需對工作面運輸系統進行改造。

針對上述現狀，擬將現有的運輸系統改造為帶式輸送機運輸系統。所安裝的帶式輸送機的關鍵參數如表1 所示。

表1 改造后帶式輸送機關鍵參數

則，采用該帶式輸送機的年運輸量計算如下：

式中：A為帶式輸送機的年運輸能力，萬t/年；b為每年工作日，取330 d；t為帶式輸送機每天運行時長，取16 h；B為帶式輸送機的運輸能力，350 t/h；k2為運輸系數，取1.2。

經核算，采用該帶式輸送機的純運輸能力為154萬t/年，滿足實際生產的需求。本文將以該型帶式輸送機為研究對象對其電氣控制系統進行設計。

2 帶式輸送機電氣控制系統的設計

2.1 電氣控制系統的總體設計要求

帶式輸送機所應用于的區域為綜采工作面，綜采工作面的環境惡劣，粉塵、煤塵濃度較高。因此，鑒于此要求帶式輸送機的電氣控制系統的可靠性較高。故，擬采用西門子公司的S7-300 系類的PLC 控制器為電氣控制系統的核心，實現帶式輸送機的可靠控制[3]。帶式輸送機電氣控制系統需實現以下功能：

1）實現對帶式輸送機打滑、撕裂、跑偏等故障的監測，還需對工作面煤塵、煙霧濃度進行實時監測。

2）實現對電氣控制系統中變頻器故障的監測，尤其對其過載、過熱、欠電壓、過電流的現象進行監測，一旦出現故障及時發出報警，進一步提升系統的可靠性。

3）基于電氣控制系統的變頻器根據輸送帶的實時運量對帶速進行實時無級控制。

2.2 電氣控制系統硬件的設計

2.2.1 PLC 的選型

鑒于綜采工作面的環境相對惡劣，為保證電氣控制系統的可靠性選用德國西門子公司S7-300 系列的PLC 及其主控裝置。S7-300 系列PLC 控制器的主要技術指標為：CPU 型號為315-2PN/DP；本安供電壓為：直流24 V。根據現場傳感器、保護裝置以及與上位機通訊需求，PLC 控制柜的配置如下頁表2。

該電氣控制系統能夠實現對現場工作面帶式輸送機的遠程控制、就地、檢修、手動、慢動以及閉鎖等六種工作方式。

2.2.2 變頻的選型

變頻器作為帶式輸送機電氣控制系統中實現對帶速無級控制的核心，鑒于其工作環節惡劣，且ACS800-04 型變頻器已經被廣泛應用于煤礦、電廠以及煉鋼廠等領域，并獲得好評。因此，帶式輸送機電氣控制系統中選用可靠性較高的ACS800-04 型變頻器對其帶速進行無級控制[4]。此外，為ACS800-04型變頻器配置IGBT 智能驅動技術和ABB 快速制動技術，保證功能的實現，提高系統的可靠性。

2.2.3 電氣控制系統保護裝置的選型

本電氣控制系統選用KHP159 型保護裝置實現對設備運行狀態的實時監測，該保護裝置能夠實現對帶式輸送機的跑偏、撕裂、超溫等故障的保護，其對應的傳感器如表3 所示。

表2 PLC 控制柜配置

表3 KHP159 型保護裝置傳感器型號及功能

2.3 電氣控制系統軟件的設計

帶式輸送機電氣控制系統主要實現對設備的軟啟動控制和綜合保護和自檢功能。當設備獲得啟動指令時，由電氣控制系統對綜合保護裝置、制動閘、主變頻器的狀態進行監測，判斷設備是否滿足啟動的要求[5]。

本節著重對帶式輸送機電氣控制系統綜合保護功能的實現進行設計。綜合KHP159 型保護裝置的功能要求并結合工作面現場的控制需求，設計如圖1 所示的綜合保護流程圖。

如圖1 所示，圖中V1 為帶式輸送機主傳動滾筒的實時速度，V2 為帶式輸送機輸送帶的實時速度，ε 為帶式輸送機帶速的偏差率。

3 帶式輸送機電氣控制系統的應用

將所設計的電氣控制系統應用于改造后的帶式輸送機運輸系統中，并對啟動、正常運行、制動以及緊急停車等工況的應用情況進行驗證，結果如下：

1）當帶式輸送機具備啟動條件后，向變頻器發出啟動制動，其頻率由0 逐漸達到50 Hz，在空載狀態下輸送帶速度逐漸達到4.5 m/s；

2）當設備啟動完成后，由于物料下放導致電機產生制動轉矩，但在變頻器及PLC 控制的基礎上，能夠保證輸送帶穩定在4.5 m/s 的狀態下運行。

3）當變頻器接收到停機指令后，待輸送帶上的物料全部被卸載后，其電機頻率由50 Hz 逐步減小，并按照預先設定的減速曲線停機，最終實現閘瓦抱閘。

4）當系統檢測到設備出現跑偏、縱撕裂、超溫以及堆煤等故障時，變頻器得到停機指令，其電機頻率由50 Hz 逐步減小，并按照預先設定的減速曲線停機，最終實現閘瓦抱閘。

圖1 電氣控制系統綜合保護軟件流程圖

4 結語

帶式輸送機作為當前工作面的主要運輸設備，與具有優勢明顯的運輸能力，即采用帶輸送機能夠明顯提升工作面的采煤效率。此外，電氣控制系統作為設備可靠運行的保障之一，根據現場生產需求設計PLC 加變頻器的控制系統，在滿足日常運輸任務的同時，實現對設備跑偏、縱撕裂、堆煤等故障的保護，并對應用后啟動、制動、正常運行以及緊急停車工況的效果進行驗證，取得不錯的效果。