多電機驅(qū)動帶式輸送機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究

李晉凱

（晉能控股煤業(yè)浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司， 山西 朔州 036000）

引言

帶式輸送機是煤礦開采中重要的輸送裝備，其輸送效率高低對煤礦開采效率有一定程度的影響[1]。隨著社會對煤礦資源需求量的不斷增加，我國煤礦開采量和開采效率均有了很大的提升。為順應煤礦開始效率不斷提升的基本需要，帶式輸送機未來必將朝著大型化、重型化方向發(fā)展[2]。對于重型化帶式輸送機而言，單電機驅(qū)動已經(jīng)無法滿足其實際使用需要，通常需要同時使用多個電機驅(qū)動[3-4]。但是多電機驅(qū)動的帶式輸送機在實踐過程中暴露出了一些問題，最顯著的問題是多電機之間的輸出不同步，導致皮帶出現(xiàn)相互牽扯的問題，對設備運行穩(wěn)定性造成了不良影響[5-6]。針對該問題，本文設計研究了多電機驅(qū)動帶式輸送機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多電機驅(qū)動之間的平衡，提升帶式輸送機運行的穩(wěn)定性。

1 帶式輸送機概述

以某煤礦中使用的DTL120×200×2×315 型帶式輸送機為例進行闡述。如圖1 所示為該型號帶式輸送機的整體結構示意圖，可以看出帶式輸送機由很多結構件構成。驅(qū)動裝置的作用是通過電機為帶式輸送機的運行提供動力來源，由于煤礦運輸距離較長，使用的帶式輸送機驅(qū)動裝置由3 臺電機同時組成，其中兩臺電機位于驅(qū)動滾筒側(cè)，一臺電機位于換向滾筒側(cè)。托輥的作用是降低輸送帶運行時的撓度，以減小運行阻力。

圖1 DTL120 型帶式輸送機整體結構示意圖

通過多臺電機同時驅(qū)動雖然能夠提升帶式輸送機的動力，但與此同時設備運行時會帶來一些問題，其中最顯著的是不同電機之間的輸出功率平衡問題。如果多電機之間的功率無法保持平衡，一方面會對電機造成嚴重損傷，另一方面會影響設備運行過程的穩(wěn)定性和可靠性，導致設備容易出現(xiàn)各種故障問題，對采煤過程的連續(xù)性造成不良影響。

2 多電機驅(qū)動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體方案設計

2.1 整體方案

為了解決帶式輸送機多電機同時驅(qū)動時，不同電機之間的協(xié)調(diào)運行問題，設計研究了多電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，圖2 所示為系統(tǒng)的整體方案框圖。由圖可知，帶式輸送機同時由三臺電機驅(qū)動，每臺電機配備了一臺變頻器，變頻器都接受PLC 控制器的控制。利用傳感器對帶式輸送機運行速度、各電機的輸出轉(zhuǎn)速及電流值進行檢測，檢測結果傳輸?shù)娇刂破髦羞M行分析與處理。控制器將原始檢測數(shù)據(jù)及分析結果傳輸?shù)缴衔粰C的監(jiān)控屏中實時顯示，方便工作人員查看。

圖2 多電機驅(qū)動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體方案框圖

2.2 控制策略

為確保多電機之間的協(xié)調(diào)運行，將三臺電機中的一臺電機設置為主電機，對應的變頻器為主變頻器，另外兩臺電機設置為從電機，對應的變頻器為從變頻器。考慮到電機運行時的電流值可以反映電機的輸出功率大小。本方案中將主電機電流作為從電機調(diào)整速度的依據(jù)。主電機的運行速度根據(jù)帶式輸送機實際情況進行調(diào)整，兩臺從電機的運行速度根據(jù)主電機電流值進行調(diào)整。這樣可以確保三臺電機的輸出電流保持相等，從而實現(xiàn)它們之間的協(xié)調(diào)運行。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件選型設計

3.1 PLC 控制器

從圖2 中可以看出，PLC 控制器是整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中非常重要的硬件設施，其性能好壞對整個控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣有決定性影響。結合以上實際情況，該系統(tǒng)中選用的PLC 控制器型號為西門子公司生產(chǎn)的S7-400。該型號控制器有兩個版本，分別為主版本和拓展版本，主版本中擁有18 個插槽，如果特殊情況下插槽數(shù)量不夠可以使用拓展版本，本系統(tǒng)中選用主版本。控制器需要與多種傳感器及其他硬件設施進行連接，要求具備有不同的通信接口。S7-400 控制器正好擁有多種類型通信接口，方便與不同硬件設施實現(xiàn)通信連接。

圖3 所示為S7-400 PLC 控制器的模塊化結構示意圖。可以看出，PLC 控制器采用的是模塊化設計，不同模塊發(fā)揮著不同的作用。其中，電源模塊的型號為PS407，為整個控制器提供電源，可以提供穩(wěn)定的24V DC 電源。CPU 模塊是控制器的核心，所有的數(shù)據(jù)分析計算工作需要由CPU 模塊完成，選用的CPU 模塊型號為CPU417-4，具有豐富的內(nèi)存和較高的工作頻率，其計算性能完全能夠滿足系統(tǒng)的實際需要。傳感器檢測得到的數(shù)據(jù)信號通常為模擬量信號，需要轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號才能夠被PLC 控制器分析處理，本型號PLC 控制器自帶模擬量轉(zhuǎn)換模塊，使得協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結構大大簡化。

圖3 PLC 控制器模塊化結構示意圖

3.2 變頻器

變頻器的作用是將恒定的50 Hz 交流電源轉(zhuǎn)換成為不同頻率的交流電源供電機使用。當輸入電機中的電源頻率發(fā)生改變時，其輸出轉(zhuǎn)速也會隨之改變。不管是何種型號的變頻器，其結構整體上可以分成三大部分，分別為整流部分、中間直流部分和逆變部分。其中，整流部分的作用是將交流電源轉(zhuǎn)變稱為直流電源；中間直流部分的作用是防止電源發(fā)生波動，起到穩(wěn)流的目的；逆變部分的作用是將直流電源轉(zhuǎn)變成為交流電源，同時可以根據(jù)實際需要對輸出電源的頻率進行調(diào)整。變頻器正常工作的前提是外接電路完好，如圖4 所示為本案例中三臺變頻器的外接電路圖。

圖4 三臺變頻器的外電路圖

4 應用效果分析

將設計的多電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在DTL120×200×2×315 型號帶式輸送機中進行部署。為測試系統(tǒng)性能，研究了帶式輸送機啟動階段及調(diào)速階段三臺電機電流的變化情況，相關結果如圖5 所示。由圖可知，帶式輸送機在0 s 時啟動，電機的電流快速增加到26 A 左右，在5 s 左右時進行一次調(diào)速，電機電流增加到28.4 A 左右。可以看出，整個啟動、調(diào)速及運行過程中，三臺電機的電流值基本上保持一致，雖然有一定誤差，但是該誤差相對較小，完全在可以接受的范圍以內(nèi)。基于以上試驗結果，所設計的帶式輸送機多電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)達到了預期效果。

圖5 帶式輸送機啟動及調(diào)速時三臺電機電流變化情況

將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進一步應用到帶式輸送機工程實踐中，并對其實踐運行效果進行了連續(xù)3 個月的觀察與調(diào)試。結果發(fā)現(xiàn)在整個觀察期間系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行，沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。通過運用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)使得帶式輸送機三臺電機之間的協(xié)調(diào)性得到了極大改善。與之前相比，帶式輸送機的運行故障率降低了30%以上，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的維護保養(yǎng)成本。同時提升了設備的開機時間，為煤礦開采率的提升奠定了良好的基礎。總之，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實踐應用為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

5 結語

為順應煤礦開展效率不斷提升的基本需求，帶式輸送機正朝著重型化和大型化方向發(fā)展，單個電機已經(jīng)無法滿足實際需要，目前很多帶式輸送機都需要通過多臺電機同時驅(qū)動。如何保證多臺電機之間的協(xié)調(diào)工作是需要解決的關鍵問題。設計研究了多電機驅(qū)動帶式輸送機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以對多臺電機之間的輸出電流進行協(xié)調(diào)控制，確保不同電機的輸出功率保持平衡。將設計的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應用到工程實踐中，取得了很好的應用效果，顯著降低了設備運行的故障率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。