斜井皮帶機控制系統(tǒng)改造分析與實踐

連紅飛

(潞安礦業(yè)集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

1 問題的提出

王莊煤礦主斜井原煤提升系統(tǒng)采用皮帶機提升，將井下生產(chǎn)出的原煤由井下630水平提升至地面，其概況如下：鋼絲繩芯膠帶機型號為DX4000，帶速為4.8 m/s，運量為1 000 t/h，膠帶寬度為1 200 mm，總長度為1 304.5 m，傾角為16°，驅(qū)動滾筒直徑為Φ1 600 mm，電機數(shù)量為3臺，采用型號為ATSA-450-LX-06A的繞線式異步電動機，功率為630 kW，定子電壓為6 kV，定子額定電流為76 A。主斜井皮帶機提升系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 主斜井皮帶機提升系統(tǒng)布置示意圖

皮帶機電控系統(tǒng)為TKM-PLC轉(zhuǎn)子串電阻啟動電控系統(tǒng)，于2005年投入使用。此類電控系統(tǒng)存在電耗高、故障率高、啟動不平穩(wěn)、不節(jié)能等問題，重載啟動對皮帶機系統(tǒng)有較大的機械和電氣沖擊，尤其隨著使用年限的增加，故障率逐步升高，一定程度上影響了安全生產(chǎn)。為此，必須對主斜井皮帶機控制系統(tǒng)進行改造。鑒于王莊礦主斜井皮帶機的上述特點，要求改造后的控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)以下功能：

(1)軟啟動。軟啟動指的是利用機械、電氣等手段，通過延長設(shè)備啟動時間，取得斜率較小的啟動加速度曲線，使設(shè)備在啟動全過程中避免受到?jīng)_擊。王莊礦主斜井皮帶機長度達1 304.5 m，由于電源斷電、故障停機等原因，經(jīng)常需要滿負(fù)荷重載啟動，要求啟動力矩較大的同時啟動電流保持在合理的范圍內(nèi)。采用軟啟動，可有效減少對皮帶機的機械沖擊及對電機等設(shè)備的電氣沖擊，延長設(shè)備使用年限，減少故障率。

(2)低速驗帶。礦井每天停產(chǎn)2 h時間，對皮帶機進行檢修、驗帶，并探測膠帶內(nèi)鋼絲繩的斷絲情況，此時，皮帶機需要以0.5 m/s的速度運行。

(3)自動平衡3臺電機功率。皮帶機采用3臺電機拖動，實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)問題：雙電機滾筒和單電機滾筒由于包膠層磨損不一致，或者由于其中一個滾筒損壞更換新滾筒后，導(dǎo)致雙驅(qū)滾筒和單驅(qū)滾筒的直徑出現(xiàn)差異，3臺電機的功率嚴(yán)重不平衡。所以，新的控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)3臺電機功率的自動平衡。

2 驅(qū)動技術(shù)的選擇

根據(jù)上述要求，對驅(qū)動控制技術(shù)進行選擇。目前，能實現(xiàn)上述功能且較先進的驅(qū)動控制方式主要有變頻驅(qū)動控制和CST驅(qū)動控制。CST是美國道奇公司生產(chǎn)的一種帶濕式離合器和電液控制技術(shù)的齒輪減速器，可實現(xiàn)上述各種功能，且性能優(yōu)良，啟動和停機平穩(wěn)，傳動效率高，可自動平衡電機功率，但由于其安裝尺寸和現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)完全不一致，必須停產(chǎn)后重新制做基礎(chǔ)，停產(chǎn)時間約需一個月左右，故該方式不具備操作性。變頻器可以靈活布置，技術(shù)先進，保護齊全，可實現(xiàn)軟啟動軟停車，不需要制做專門的安裝基礎(chǔ)。目前，無論國內(nèi)還是國外，高壓變頻器技術(shù)已非常成熟，因此，選擇變頻器驅(qū)動控制作為此次改造的技術(shù)方案。

由于皮帶機為上運式，恒力矩負(fù)載，選用兩象限交直交電壓型變頻器，控制方式采用直接轉(zhuǎn)矩控制。

2.1 單拖和群拖的選擇

群拖指一拖三，即采用一臺大容量變頻器同時驅(qū)動3臺電機。

單拖指一拖一，即選擇3臺小容量變頻器，一臺變頻器僅驅(qū)動一臺電機。

由于皮帶機需要實現(xiàn)3臺電機功率平衡，一拖三方式不能實現(xiàn)此功能。因此該改造方案采用一拖一方式，即選擇3臺與電機功率相匹配的小容量變頻器。

2.2 變頻器容量計算及校核

變頻器計算輸出功率P(kW)需滿足：

P≥K1Pde.

其中：K1為功率富裕系數(shù)，取K1=1.2；Pde為電機的額定功率，kW。

經(jīng)過計算，P≥756 kW，根據(jù)計算輸出功率，變頻器容量取大一級，選1 000 kVA。

由于皮帶機傾角為16°，且需要重載啟動，必須進行電流校核。根據(jù)上海某公司變頻器樣品手冊，1 000 kVA變頻器的額定電流為92 A，1.5倍額定電流過載時間為60 s。要求變頻器的額定電流滿足：

Ievf≥K3KdIed/k2.

其中：Ievf為變頻器額定電流,92 A；K3為電機電流/轉(zhuǎn)矩系數(shù)，取1.15；Kd為電機轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)，取1.5；Ied為電機額定電流,取76 A；k2為變頻器電流短時過載倍數(shù)，取1.6。

經(jīng)過計算，K3KdIed/k2=81.9 A

3 控制方案

皮帶機控制系統(tǒng)由3臺變頻器、1臺轉(zhuǎn)換柜、1臺綜合電源柜、1臺操作臺等設(shè)備組成。

3.1 變頻器

3臺變頻器所有硬件采用模塊化設(shè)計，維護效率高。其軟件要求功能強大，透明度高，調(diào)試效率高。變頻器選用兩象限高壓變頻器，電壓為6 000 V。由于皮帶機是正力運行負(fù)荷，兩象限變頻器可滿足現(xiàn)場使用要求。

3.2 綜合電源柜

采用電源雙進線設(shè)計，具備電源失壓、欠壓、過流保護。其饋出回路數(shù)量根據(jù)各用電設(shè)備的要求確定，裝設(shè)安全隔離開關(guān)、空氣斷路器、接觸器、控制開關(guān)以及電壓、電流等全套測量儀表。

3.3 操作臺

操作臺是系統(tǒng)的控制中樞，完成運行工藝所給出的運行動作及系統(tǒng)的啟動和停止，完成系統(tǒng)的各項保護，使系統(tǒng)安全可靠地運行。系統(tǒng)采用雙PLC作為控制核心，一臺PLC作為主控，一臺PLC作為監(jiān)控。選用西門子S7-300型PLC。

操作臺上裝設(shè)各種工況顯示設(shè)備，以液晶顯示屏為主要顯示設(shè)備，可以觀察PLC運行情況、各外部接點動作狀態(tài)、各模擬量回路狀態(tài)等，方便維護工作。同時具有必要的開關(guān)量、模擬量的數(shù)字顯示，可以在液晶屏不工作時提供必要的運行數(shù)據(jù)，如安全回路指示燈，故障聲光報警顯示，高、低壓電壓表和電流表等等。

正常運行速度設(shè)定為4.8 m/s，驗帶速度設(shè)定為0.5 m/s，兩種速度通過操作臺上的轉(zhuǎn)換旋鈕進行切換。

3.4 系統(tǒng)的保護功能

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，系統(tǒng)能實現(xiàn)打滑、跑偏、沿線急停、撕裂、堆煤、溫度監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、自動灑水等各種保護功能。當(dāng)發(fā)生斷帶、撕裂、跑偏、倒轉(zhuǎn)等故障時，將自動緊急停車。此外，還可實現(xiàn)超速保護、墜砣車限位、電機超溫、閘瓦磨損、電機軸瓦超溫、緊急停車、調(diào)節(jié)回路故障等多種保護功能。

3.5 保留原控制系統(tǒng)

原串電阻控制系統(tǒng)作為備用，予以保留，但僅在應(yīng)急情況下投入使用，日常主要由變頻器驅(qū)動，兩套系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進行轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語

系統(tǒng)改造于2018年“五一”停產(chǎn)檢修時間進行，用時5天。變頻控制系統(tǒng)運行近一年來，未出現(xiàn)電機功率不平衡等故障，完全實現(xiàn)了有關(guān)規(guī)定要求的各項功能，提升了設(shè)備的可靠性、安全性、經(jīng)濟性，保障了安全生產(chǎn)。