小保當一號煤礦主斜井帶式輸送機智能調速電控系統設計

王惠臣

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

主斜井帶式輸送機是煤礦生產的關鍵設備，其配套電控系統設計的合理與否，直接影響整個煤礦的生產能力。小保當一號煤礦是年生產能力為15Mt的特大型現代化煤礦，主斜井帶式輸送機自投運以來狀況良好，配套的電控設備運行穩定，完全能夠滿足生產能力要求。本文以小保當一號煤礦主斜井帶式輸送機電控系統設計為例，詳細介紹基于智能調速的電控系統其構成及各子系統的功能特點，并對設計中遇到的問題進行歸納總結。

1 電控系統構成

小保當一號煤礦主斜井帶式輸送機電控系統主要包括高低壓配電系統、帶式輸送機PLC監控系統、變頻調速系統、帶式輸送機煤流量監控系統、帶式輸送機保護系統及帶式輸送機礦用值守機器人等子系統[1，2]。主斜井帶式輸送機主要參數：運量為5800t/h，運輸長度約為1730m，傾角為0～12°，帶速為5.6m/s，帶寬為2000mm，主電機功率為4×2800kW/6kV，制動方式：液壓盤式制動，張緊方式為尾部液壓自動張緊。

主斜井井口房10/0.4kV變電所為四層結構建筑，分別布置主斜井帶式輸送機、井下西翼大巷帶式輸送機(3×1600kW/6kV)及上倉帶式輸送機(3×800kW/10kV)等三條帶式輸送機的電控設備。主斜井帶式輸送機電控設備結構如圖1所示。

圖1 主斜井帶式輸送機電控設備結構圖

小保當一號井主煤流運輸智能調速系統根據實時采集的煤流量，采用遠程調節接口和變頻器控制技術進行智能調速[3]。井下工作巷帶式輸送機(3×800kW+3×800kW，3300V)、井下西翼大巷帶式輸送機、主斜井帶式輸送機及主斜井至原煤倉帶式輸送機均設置礦用隔爆型PLC控制箱及煤流量檢測儀，煤流量檢測儀采集的信號通過分區PLC控制箱就近接入光纖環網[4]。煤礦主煤流運輸智能調速系統結構如圖2所示。

圖2 煤礦主煤流運輸智能調速系統結構圖

主煤流運輸系統的區域PLC控制箱設置在主斜井井口房帶式輸送機控制室，根據運算結果向分區PLC控制箱輸出帶式輸送機速度控制信號，分區PLC控制箱和現場帶式輸送機控制系統連接，實現各條帶式輸送機變頻器對電機的智能調速。前級帶式輸送機煤流數據作為后級帶式輸送機機速度調節依據，最大程度地降低帶式輸送機運輸機的空載和輕載運行率，從而顯著降低能耗，延長使用壽命。

2 電控系統各子系統功能

2.1 高低壓配電系統

主斜井帶式輸送機高壓配電系統設置15臺KYN28-12型高壓開關柜，該開關柜選用VD4彈操真空斷路器、數字儀表、微機綜合保護器具有RS485接口或以太網接口，具有“五防”功能、各種電氣保護和閉鎖裝置齊全[5]。

變頻器主回路斷路器的分閘命令必須從變頻器直接發出，不得通過帶式輸送機PLC監控系統發出。斷路器處于工作位時，變頻器擁有閉合斷路器的唯一控制權。不得使用斷路器的本地/遠程開關進行分合閘操作。斷路器除分閘線圈外，還需配置欠壓脫扣線圈。當帶式輸送機需要緊急停車或者變頻器檢測到故障時，變頻器除輸出分閘節點外，還需輸出動作于欠壓脫扣線圈的故障跳閘節點。即使直流屏故障導致控制母線欠壓時，主回路斷路器仍可以通過欠壓脫扣線圈可靠跳閘，滿足變頻器保護要求。主回路斷路器(MCB)的合分閘回路如圖3所示。

圖3 主回路斷路器的合分閘回路圖

低壓配電系統為TN-S系統，設置1套低壓電源柜，進線采用雙電源自動切換裝置，用于給主斜井帶式輸送機、上倉帶式輸送機成套設備及井口房輔助設施(包括冷卻風機、液壓站、照明及空調等負荷)提供380V交流電源。

2.2 帶式輸送機PLC監控系統

主斜井帶式輸送機PLC監控系統的功能要求如下：

1)控制方式：不僅能實現對本條帶式輸送機的起動、停機、監測、保護等功能，還能實現對煤礦主煤流運輸系統的集中遠程控制及顯示運行狀態等功能[6]；另外通過光纖與地面調度監控中心帶式輸送機分控臺通訊，也能實現地面調度監控中心對主斜井運輸系統的集中遠程控制及顯示運行狀態等功能。

2)控制帶式輸送機起動運行：首先自動發起動預告，然后控制松閘、張緊帶式輸送機，待松閘、張緊均返回OK信號后，通過變頻器實現軟起動(要求按0.1～0.3m/s2加速度控制軟起動)，并且同時監測各信號(急停閉鎖、堆煤、煙霧、打滑、二級跑偏、張緊、制動等)是否正常，若其中任一信號出現故障，均應能實現緊急停車。

3)控制帶式輸送機正常停車：先自動停帶式輸送機前的煤流(順煤流停車)，延時一段時間待膠帶上的煤拉完后，控制變頻器實現軟停車(要求按0.1～0.3m/s2減速度控制軟停車)，待帶式輸送機速度降至0.5m/s時(可程序設定，可調)，控制抱閘。

4)急停帶式輸送機：當帶式輸送機出現緊急停車故障時，如急停閉鎖、堆煤、煙霧、二級跑偏、縱撕、制動故障、張緊故障等，停主電機，待帶式輸送機速度降至0.5m/s時(可程序設定，可調)，控制抱閘，實現緊急停車。

5)驗帶：可選擇驗帶運行，在驗帶工作方式下，變頻器可控制帶式輸送機低速運行。

6)對主控系統、張緊系統和制動系統的要求：主控系統和制動系統實現電氣閉鎖。保證起動及正常運行時制動閘必須松開；帶速為零時，制動器必須抱死；制動器斷電及故障時，主控應按急停處理。主控系統和張緊系統實現電氣閉鎖。保證起動及正常運行時張緊必須到位；張緊裝置斷電及故障時，主控應按急停處理。

2.3 變頻調速系統技術

市場上有以下幾種帶式輸送機常用的變頻裝置[7]：①北京合康、西門子羅賓康等公司生產的低壓級聯結構變頻器，采用IGBT絕緣柵雙極型晶體管，功耗較低，單管耐壓為1700V，單向導通；②ABB公司生產的ACS 5000型變頻器，為直接高-高、交-直-交電壓型，輸出電壓6kV，采用IGCT集成門極換流晶閘管，功耗低，單管耐壓為5500V，單向導通；③Rockwell公司生產的Power Flex7000系列變頻器，為直接高-高、交-直-交電流型，采用SGCT 集成門極換流晶閘管，功耗很低，單管耐壓為6500V，雙向導通，四象限運行。變頻器功率半導體器件技術參數見表1。

表1 變頻器功率半導體器件技術參數表

技術性能比較如下[8]：6kV低壓元件級聯結構變頻器每相有五個IGBT功率器件同時導通，而ACS 5000型變頻裝置每相僅有兩個IGCT功率器件同時導通，相比較來說ACS 5000型變頻裝置整體功率元件少、故障率低，可靠性更高。Power Flex7000系列變頻器每個橋臂采用三個SGCT串聯，雖然結構簡單、可靠性高，但不適用于兩象限運行、無能量反饋的主斜井上運帶式輸送機類負載，另外價格偏高、后期維護也不方便。主斜井帶式輸送機最終選用四臺ACS 5000型變頻裝置。

考慮到設備可能出現過負荷的情況，并且要求電機最大轉矩/額定轉矩大于2，所以ACS5000變頻器的額定輸出電流必須大于所帶電機的額定電流，并需具備180%額定輸出電流1min、每隔10min可重復一次的過載能力，以滿足因系統原因停止后帶式輸送機滿煤時的再起動要求。另外變頻器的配套變壓器應具備在連續額定容量基礎上具備120%的過載能力。

2.4 帶式輸送機煤流量監控系統

2.4.1 技術要求

1)該系統基于系統實際的運行工作點，可以實現整個井下運輸系統的協同優化運行。

2)依據煤流檢測：計算和確定帶式輸送機運輸機的運行工作點，并通過驅動系統實現基于工作點的運行調節；計算和確定帶式輸送機運輸機煤流量分布，通過控制系統實現帶式輸送機的順煤流啟動[9]。

3)依據給定工作點，并根據上游刮板機輸出量以及帶式輸送機運輸機煤量狀態，優化帶式輸送機運輸機的運行狀態，包括最優化的起、停級聯時間；優化的運行協同調速；使帶式輸送機運輸機的空載、輕載運行率最小化。

4)提供帶式輸送機運輸機系統自診斷和數據分析功能。

5)提供對上一級生產集控/數字化礦山系統的遠程數據/控制信息樞紐。

6)可以實現以下模式：運行過程中智能調速模式，綜采工作面投入使用時，根據來煤量選擇50%帶速模式、75%帶速模式或100%帶速模式。低速運行模式，當綜采工作面檢修時，一鍵起停主運輸系統，系統內各膠帶均按30%帶速運行。

2.4.2 啟動方式選擇

依據煤流檢測，計算和確定膠帶運輸機煤流量分布，自動判斷系統為順煤流啟動還是逆煤流啟動，當符合條件時，實現膠帶的順煤流啟動[10]。在膠帶煤流量監控不參與控制情況下，膠帶系統逆煤流啟動。無論順煤流啟動和逆煤流啟動，系統均應實現一鍵啟動。具有逆煤流開、順煤流停的煤流方向相互閉鎖功能。煤礦主煤流運輸整體控制邏輯如圖4所示[11]。

圖4 煤礦主煤流運輸整體控制邏輯框圖

系統實時記錄各條帶式輸送機的煤量分布。如果各帶式輸送機為空載，軟件判斷此時可以進行順煤流方向起車，按工作巷帶式輸送機→西翼大巷帶式輸送機→主斜井帶式輸送機→上倉帶式輸送機→上倉刮板的順序起動。當主斜井帶式輸送機，上倉帶式輸送機空載，且工作巷帶式輸送機機尾有一定煤量時，此時首先起動工作巷帶式輸送機，然后根據上次停車時記錄的煤流位置判斷煤流到達工作巷機頭的時間t。當時間小于設定值t時，按照主斜井帶式輸送機→上倉帶式輸送機→上倉刮板的順序起動，以達到順煤流起動的目的。一鍵順煤流起動邏輯，是指一鍵順煤流自動起動所有設備的操作，此操作可以自動從工作巷帶式輸送機向井口方向起動至上倉刮板機，前提條件是所有設備為全空狀態。

對于異常情況下的起車保護邏輯如下：

1)查詢所有保護信息有無問題，再根據歷史數據判斷上次是否為正常停車，再進行起車操作[12]。

2)工作巷帶式輸送機要優先刮板機起動，避免刮板機非空造成的堆煤。

3)工作巷帶式輸送機起動過程中，主斜井帶式輸送機變頻器開始做起動前期準備，油泵、風扇等提前進行起動。這之間的延后時間需要根據實際參數和經驗進行設定，通過預判刮板機和工作巷帶式輸送機的情況，提前對主斜井帶式輸送機進行起動，防止因時間不夠造成不能起動。

4)主斜井帶式輸送機起動后，根據曲線進行低速運行。檢測到工作巷上出現煤流后，根據煤流到達的時間和調速相應時間來決定主斜井帶式輸送機的加速時機。

5)主斜井帶式輸送機起動時，上倉帶式輸送機也進行起動前準備，當判斷煤流經過警戒位時將上倉帶式輸送機起動。

2.5 帶式輸送機保護系統

在帶式輸送機機頭處放置一臺KTC101-Z型主控制器和KDW101型電源箱，KTC101-Z主控制器控制主斜井、帶式輸送機的開/停及狀態顯示，并完成帶式輸送機啟動前的語言報警和和主斜井帶式輸送機機頭傳感器(速度、煙霧、溫度、跑偏、堆煤、超溫灑水裝置)[13-15]的檢測，KDW101本安電源用于系統和沿線的供電。

2.6 礦用值守機器人系統

礦用值守機器人系統主要由圖像采集系統、高頻補光照明系統、防爆控制主機、防爆計算機組成。整個系統安裝于落煤點帶式輸送機面正上方約1m高度，采集快速運轉的帶式輸送機圖像。圖像信息一部分傳輸到防爆控制主機，通過用于圖像實時分析，識別大塊矸石、錨桿等大塊物料和長桿利器；一部分圖像信息與圖像識別結果實時上傳到遠程控制的防爆計算機或地面控制中心，顯示、存儲現場設備運行狀態。發現異常，機器人及時報警，結合從帶式輸送機控制系統獲取的帶式輸送機機速度，記錄異物位置，也可聯動帶式輸送機控制系統控制帶式輸送機機停止運行。煤礦帶式輸送機智能分析圖像如圖5所示。

圖5 煤礦帶式輸送機智能分析圖像

3 主煤流運輸電控系統存在問題及解決方法

1)主斜井帶式輸送機、上倉帶式輸送機的PLC監控系統與變頻器之間僅采用通信模式，解決方法：后期增加將PLC監控系統與變頻器之間啟停、急停等關鍵節點的硬接線。

2)井下西翼大巷帶式輸送機的井下PLC主站與井口房PLC分站均無冗余設計，解決方法：后期增加冗余設計，即當一處PLC發生故障無法控制帶式輸送機機時，另一臺PLC也能夠控制帶式輸送機機。

3)對一些影響帶式輸送機機運行的故障或告警，缺少相應的故障記錄，解決方法：對設備發生的各種故障要有記錄功能，但不可以自行復位，只能人工復位。

4 結 語

目前該帶式輸送機電控系統已投入運行近兩年，經實踐證明，該系統實現了帶式輸送機力矩響應速度快，控制系統可靠性高、操作簡單、運行穩定；最大程度地降低了煤礦主煤流運輸系統的空載和輕載運行率，降低能耗顯著，延長機械設備的使用壽命，為煤礦創造了較大的經濟效益，具有較高的推廣價值。