礦用刮板輸送機變頻控制系統設計與實踐應用分析

劉 棟

（山西高平科興前和煤業有限公司，山西 高平 048400）

引言

目前，隨著我國科學技術水平的不斷提升，煤礦領域相關技術也得到了快速發展，煤礦工作面的自動化和智能化水平有了明顯的改善和提升[1]。刮板輸送機作為煤礦工作面中非常重要的輸送裝備，其智能化水平同樣得到了較大提升，并且正朝著更高可靠性、更高運輸效率方向發展[2-3]。刮板輸送機傳統的控制模式工作時存在一定缺陷，其中最明顯的問題是啟動過程會對設備造成沖擊，運行過程中多電機之間無法保持功率平衡，導致設備的故障率居高不下[4-6]。針對以上問題以刮板輸送機為研究對象，設計了一種變頻控制系統并展開應用分析。

1 SGZ1000/3×855 型刮板輸送機概述

以SGZ1000/3×855 型刮板輸送機為對象開展研究，如圖1 所示為該型號刮板輸送機整體結構示意圖。由圖可知，刮板輸送機主要由圓環鏈、刮板、中部槽、鏈輪、聯軸器、減速器、液力耦合器和電動機等部分構成。電動機提供動力，其輸出的動力經過液力耦合器和減速器后傳輸到鏈輪中，鏈輪驅動鏈條運動，進而帶動刮板作循環往復運動，位于中部槽上方的煤礦物料得以運輸。需要說明的是，SGZ1000/3×855 型刮板輸送機共有三部電機，其中兩部位于機頭部位，一部位于機尾部位，三部電機同時輸出動力，每部電機的功率為855 kW。

圖1 掛板輸送機整體結構示意圖

刮板輸送機在工作時存在的問題主要表現在兩個方面：第一，設備在啟動時由于采用的是硬啟動模式，所以啟動過程加速度非?？欤瑢υO備造成了明顯的沖擊；第二，由于設備采用三部高功率電機同時進行驅動，所以三步電機之間的功率平衡問題難以保障。以上問題的存在導致刮板輸送機工作時經常出現故障問題，嚴重影響采煤的連續性，對采煤效率的提升構成了嚴重制約。

2 變頻控制系統整體方案設計

2.1 整體方案

通過變頻驅動的方式對刮板輸送機的啟動過程，包括重載啟動和空載啟動，以及正常運行過程進行控制，如圖2 所示為設計的刮板輸送機變頻控制系統的整體方案框圖。

圖2 變頻控制系統的整體方案框圖

在本系統中，將機頭部位的兩部電機等效成為一部電機。機頭和機尾部位的電機分別通過一臺變頻器進行速度控制，所有變頻器均與PLC 控制器進行連接并接受PLC 控制器的控制。利用電流傳感器對三部電機運行過程中的電流值進行檢測，并將檢測結果實時傳輸到PLC 控制器中進行分析與處理，PLC 控制器根據電流值對電機的運行速度進行調整。基于先進的變頻調控技術可以對電機的運行速度進行控制，進而實現電機運行電流的控制以及不同電機之間功率平衡問題的控制。

2.2 工作原理

基于變頻調控技術可以實現刮板輸送機的軟啟動。啟動過程中電機速度嚴格按照系統內置的加速度進行啟動。通過這種方式可有效緩解啟動過程對設備造成的沖擊，尤其是重載啟動時造成的沖擊。

對于三部電機之間的功率平衡問題，實踐經驗表明，電機的電流值與其負載大小存在緊密聯系，所以通過檢測電流值即可判斷電機之間是否實現了功率平衡。如果檢測發現機頭和機尾部位電機電流相等，認為電機實現了功率平衡；如果機頭電機電流小于機尾電機電流，通過PLC 控制器可以提升機頭電機轉速，實現功率平衡；相反的，如果機頭電機電流大于機尾電機電流，則通過PLC 控制器提升機尾部位電機電流值，實現電機之間的功率平衡。

3 變頻控制系統的硬件和軟件設計

3.1 主要硬件的選型

以下主要對PLC 控制器和傳感器進行介紹。PLC 控制器是控制系統中的核心部分，其性能好壞會對控制系統運行的可靠性和穩定性產生決定性的影響。結合實際情況選用的控制器型號為DX-MA01，該控制器屬于高度集成控制器，整體體積相對較小，但是具有豐富的輸入和輸出接口，可以與多種其他硬件設施進行連接，控制器可以直接和開關閥、比例閥、等進行連接并對其進行控制。CPU是PLC 控制器中的關鍵構成部分，CPU 型號為TC1796 型，為32 位，具有優良的性能。內存和閃存大小分別為4 MB 和80 kB，完全能夠滿足控制系統的實際運行需要。另外，控制器具有豐富的拓展接口，可以根據實際需要進行拓展，以豐富控制系統的實際功能。PLC 控制器基于PID 控制原理實現變頻控制基本過程，如圖3 所示為PID 控制基本原理圖。

圖3 PLC 控制器的PID 控制基本原理圖

圖中的傳感器為電流傳感器，作用是對三部電機運行過程中的電流值進行實時檢測，并傳輸到PLC 控制器中進行處理。傳感器具體的型號為CSNR16I，該型號傳感器具有良好的防爆功能，完全能夠適應礦井粉塵多、潮濕等惡劣的環境。正常工作時的電壓值為DC 24V，電流值為200 mA。

3.2 主要軟件程序介紹

如圖4 所示為刮板輸送機多電機之間功率平衡的控制流程圖，其控制流程可以概述如下：刮板輸送機啟動工作后，控制系統立即啟動，并利用傳感器對機頭和機尾部位電動機的電流值進行識別，將識別結果傳輸到PLC 控制系統進行比較。比較時機頭電機在前、機尾電機在后，可以計算兩者之間的電流差值Δi。如果兩者之間的電流差值Δi=0，說明機頭和機尾部位電機的功率已經保持平衡，無須進行調速處理；如果比較后發現機頭部位電機電流比機尾部位電電流要大，即Δi＞0，則需要通過PLC 控制器下達控制指令，降低機頭部位電機的轉動速度，直到電流差值為0 為止；如果比較后發現機頭部位電機電流比機尾部位電電流要小，即Δi＜0，則需要通過PLC 控制器下達控制指令，降低機尾部位電機的轉動速度，直到電流差值為0 為止。

圖4 多電機之間功率平衡控制流程圖

4 實踐應用效果分析

將以上所述的變頻控制系統應用到SGZ1000/3×855 型刮板輸送機中，并對其運行效果進行了連續三個月時間的現場測試。結果發現，在整個測試期間變頻控制系統整體運行比較穩定，各項功能都能夠實現。控制系統的成功實踐應用，為煤礦企業創造的效益主要表現在以下幾個方面：第一，該系統的應用實現了刮板輸送機的自動化運行，使煤礦工作面的智能化建設更進一步，提升了煤礦企業的市場競爭力；第二，控制系統的應用提升了設備運行過程的穩定性和可靠性，設備故障率有了明顯的降低，為煤礦企業節省了大量的設備維護和保養成本，經過初步統計分析認為每年可以為煤礦企業節省的維護保養成本在30 萬元左右；第三，故障率的降低提升了刮板輸送機的開機時間，為開采率的提升奠定了堅實的基礎，同樣可以為煤礦企業創造很大的經濟效益。