帶式輸送機功率平衡控制流程的設計及現場試驗

朱履貝

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

帶式輸送機為工作面的主要運輸設備，由于其運輸距離長、運量大以及運輸能力大等優勢被廣泛應用。隨著帶式輸送機運量的不斷增大，運輸距離的不斷增長，傳統單滾筒驅動能力已經不能夠滿足實際生產的需求，從而推動了輸送帶多電機驅動的發展。對于多電機驅動帶式輸送機而言，由于電機功率不平衡經常會導致電機過載損壞的故障發生。此外，帶式輸送機“大馬拉小車”的問題也比較普遍，導致了電能的浪費[1]。因此，急需在解決多電機帶式輸送機的功率平衡和節能問題上進行研究。

1 多電機驅動輸送機功率平衡控制策略研究

多電機驅動帶式輸送機電機的布置方式可分為頭部驅動、尾部驅動以及頭尾驅動等。其中，頭部驅動和尾部驅動一般為雙滾筒驅動；頭尾驅動一般為三滾筒驅動。在實際應用中，一般優先考慮頭尾部驅動，其次才為頭部驅動或尾部驅動。而且，多電機驅動帶式輸送機驅動電機布置方式需綜合考慮降低帶強這一指標。在實際生產中，為減少工作面巷道的開拓量，并提高后期對巷道維護的便捷性，一般主要采用以頭尾驅動方式為主的雙滾筒帶式輸送機居多。本文將以雙滾筒帶式輸送機為例展開研究。

經理論研究可知，影響雙滾筒帶式輸送機功率平衡的因素可歸類為靜態因素和動態因素。其中，靜態因素主要指的是帶式輸送機的驅動方式，而且從理論上分析雙滾筒帶式輸送機的功率平衡；對于動態影像而言主要包括有所選型驅動電機的機械特性、滾筒直徑的大小偏差以及輸送帶的剛性系數等[2]。

所謂雙滾筒帶式輸送機的功率平衡指的是，控制系統能夠實時根據負載對電機的轉矩進行合理分配。鑒于帶式輸送機異步電動機屬于多變量系統，為保證對異步電機控制的穩定性和平衡精度，故采用矢量控制方式，其對應的功率平衡控制策略如圖1所示。

圖1 雙滾筒帶式輸送機功率平衡控制原理框圖

如圖1 所示，對雙滾筒帶式輸送機中的兩電機劃分為主電機和從電機，兩個電機之間的控制回路基于主從控制原理實現。其中，主電機所在主回路采用速度閉環控制原理，對帶式輸送機的整機速度進行控制；從電機所在從回路采用轉矩閉環控制原理，根據主回路中電機的轉矩對從回路中從電機的轉矩進行重新調整分配，從而實現兩電機的功率平衡。

2 多電機帶式輸送機功率平衡控制系統設計

為保證多電機輸送機功率平衡控制系統對電機轉矩分配的有效控制，其實現的基礎為帶式輸送機的基本功能可有效運行[3]。故，本節將針對多電機帶式輸送機對其功率平衡實現的基礎控制系統進行設計。

2.1 多電機帶式輸送機功率平衡控制系統的總體設計

要求所設計功率平衡控制系統能夠實現對帶式輸送機控制系統的常規保護功能，并能夠實現對帶式輸送機軟啟動以達到節能的效果。最重要的是，功率平衡控制系統可通過對油壓進行控制從而實現各個電機之間功率的平衡調整。故，設計如下頁圖2 所示的總體原理框圖。

2.2 關鍵元器件及控制軟件設計

2.2.1 關鍵元器件的選型

如圖2 所示控制箱中的核心控制器為PLC 控制器，結合當前工業中應用案例及綜采工作面的條件，確定選用S7-300 系列PLC 為核心控制器。根據功率平衡控制任務，對S7-300PLC 中關鍵部件進行選型，包括CPU 型號為315-2DP、數字量輸入模塊為SM321、模擬量輸入模塊為SM331、數字量輸出模塊為SM322[4]。根據功率平衡控制系統常規保護功能和常規任務，需為其配置各種關鍵傳感器，如表1 所示。

圖2 功率平衡控制總體設計原理框圖

表1 傳感器選型及參數

2.2.2 功率平衡控制流程的設計

多電機帶式輸送機功率平衡功能實現的基礎為設備能夠正常、平穩啟動，其主要判斷依據為帶式輸送機主、從電機的電流值。對于單個功率平衡控制系統而言，其對應的控制流程如圖3 所示。

在實際控制中，核心控制器中已根據帶式輸送機的額定運量對兩個電機的功率進行合理分配。當在實際運輸過程中，發現其中一個電機電流值增大，即其運輸功率增大，此時，還需對輸送帶的實時運量進行監測，排除電機出現故障的情況[5]。若，電機處于正常運行狀態則是由于運量增大而導致電機功率增大，為保證兩電機仍然在原分配比例下運行，需增大另一電機的運輸功率，從而實現雙電機運行的功率平衡。

3 功率平衡控制系統的現場試驗

圖3 單個系統功率平衡控制流程圖

本文所設計功率平衡控制流程主要是解決雙電機驅動系統由于功率無法實施合理分配所導致的電機燒毀事故的發生和帶式輸送機耗能嚴重的問題。因此，將通過對功率平衡控制系統應用后電機出故障的次數和節能效果進行綜合試驗。

3.1 功率平衡問題的解決

經實踐表明，功率平衡控制系統應用于實際生產之前，在一個月的時間內雙滾筒帶式輸送機電機出現故障的次數為5 次；而采用功率平衡控制系統后，在試運行一個月的時間內電機未出現故障。

3.2 節能效果

本文所研究帶式輸送機輸送帶的長度為1.5 km，在滿載狀態下的運量為4 000 t/h，在非滿載狀態下的運量為2 000 t/h。工作面每年需運輸煤炭總量為1 300 萬t，根據實際運輸可粗略估算，設備滿載運行時長約占總運行時長的60%，對應電機功率為551 kW，非滿載運行時長約占總運行時長的40%，在傳統控制策略下對應電機功率為374 kW，采用功率平衡節能控制策略后對應電機功率為246 kW。滿載運行時間為13 000 000 t÷4 000 t/h×60%=1 950 h，非滿載運行時間為13 000 000 t÷2 000 t/h×40%=2 600 h。

結合以往生產實踐，經統計每年的耗電量為：551 kW×1 950 h+374 kW×2 600 h=2 046 850 kWh。

當帶式輸送機采用功率平衡控制系統后，每年的耗電量為：551 kW×1 950 h+246 kW×2 600 h=1 760 850 kWh。按照每度電價為0.5 元/kWh，則，每年可節約14.3 萬元。此外，電機故障次數的減少可直接降低維修費用。

4 結語

隨著工作面生產能力的增加，為匹配運輸能力需采用多電機驅動帶式輸送機。若解決不好多電機驅動帶式輸送機功率平衡問題容易導致電機燒毀。采用適量控制方式可實現雙滾筒帶式輸送機電機的功率平衡控制，并實現其節能運行。