大功率皮帶輸送機多電機智能控制研究

楊仁偉

（山西焦煤汾西礦業（集團）有限責任公司，山西 介休 032000）

引言

皮帶輸送機是煤礦井下主要的運輸設備，其運行效率會直接影響井下煤炭運輸工作的開展[1-2]。受以往礦井煤炭生產能力不高、采掘范圍近等限制，礦井建設時采用的皮帶輸送機多為單機驅動，存在驅動功率小、運行速度不高以及負載能力差等問題[3-5]。隨著礦井生產能力以及采掘范圍增加，單機驅動皮帶輸送機已無法滿足要求，多機驅動皮帶輸送機在煤礦井下應用呈增加趨勢。多機驅動皮帶輸送機可顯著提升運輸長度、負載，但是現場應用時也存在不同程度的功率不平衡問題，若不合理控制則會降低皮帶輸送機運行穩定性及使用壽命[6-7]。為此，本文對皮帶輸送機多機驅動控制系統進行分析，以期在一定程度上提高大功率皮帶輸送機運行效率。

1 大功率皮帶輸送機概況

文中研究對象為山西某礦西翼運輸大巷布置的型號DTL1500，機頭、機尾均布置有驅動電機。皮帶輸送機機構包括有傳動滾筒、托輥、張緊裝置、皮帶以及驅動裝置等構成，傳動滾筒主要作用是向輸送帶傳送動力；改向滾筒主要改變輸送帶方向；張緊裝置用以給輸送帶提供一定張緊力，確保滾筒與輸送帶密切貼合，避免出現打滑等故障。

在西翼運輸大巷布置的皮帶輸送機運輸長度超過3 700 m，機頭布置2臺、機尾布置1臺，電機功率均為630 kW。采用多電機驅動可有效解決皮帶輸送機驅動力不足問題，但是確保多電機功率平衡是需要重點解決的問題。

2 多電機智能控制系統結構設計

在對DTL1500皮帶輸送機結構進行分析的基礎上，并結合已有研究成果，提出的多電機智能控制系統結構如圖1所示。控制系統中每個電機均配備一臺變頻器，采用變頻器可將相同電源輸出為不同頻率電源并為電動機供電，控制電機轉速。

圖1 智能控制系統結構示意圖

皮帶輸送機機頭及機尾電機供電來源于同一供電系統，不同電機供電電壓保持一致，在電壓相同情況下，輸出電流可直接反應電機輸出功率，因此可通過調整電流對電機功率進行調節。在具體控制中，可通過電流互感器監測電機輸入電流，并將監測結果自動傳輸給控制器進行分析。控制器首先計算3臺電機輸入電流平均值，并基于該電流平均值采用差值法對驅動電機轉速進行控制。若控制器發現某臺電機輸入電流高于或者低于平均值時，會向變頻器發出控制指令自動調整至電流輸入平均值。

2.1 啟動及制動方式

在啟動及制動階段若采用硬啟動或者硬制動方式，則會給皮帶輸送機帶來較大的機械沖擊，特別是處于重載階段時，造成的機械沖擊更為顯著，嚴重時會導致皮帶輸送機出現損傷。為此，提出采用軟啟動以及軟制動方式控制皮帶輸送機運行?，F階段皮帶輸送機常用的軟啟動模式包括有拋物線形、正弦啟動形以及S曲線形，通過對不同的軟啟動模式進行比對分析發現S曲線形現場應用表現出較為明顯的優勢，可明顯降低啟動過程中對皮帶輸送機的沖擊。

2.2 控制方法

采用PID控制方法對多電機進行協調控制，具體采用的PID控制原理如圖2所示，選用的控制方式為閉環控制，具備較高的控制精度。

圖2 PID控制原理

圖2中，r（t）表示人為或者系統給定電機輸入電流平均值；f（t）為電機實際輸入電流值；e（t）為實際電流與平均電流差值；u（t）為控制器分析后得到的電流調整值。變頻器可依據現場情況對輸入電流頻率進行調節，實現對電機轉速的調整。

3 智能控制系統硬件及軟件結構

3.1 硬件結構

整個智能控制系統中主要的硬件結構包括有變頻器、控制器以及網絡硬件等。

3.1.1 變頻器

變頻器采用型號S120變頻器，變頻器輸入電流頻率50 Hz，輸出電流0～120 Hz可調?？刂葡到y可基于S曲線對皮帶輸送機的運行進行精準控制，避免重載啟動或者制動產生的機械沖擊。具體采用的S120變頻控制方案如圖3所示，電機功率平衡以及速度給定等均通過控制器完成，控制器與變頻器間用Profibus通信方式。

圖3 S120變頻控制方案

變頻器用以實現多電機協調控制并實現皮帶輸送機軟啟動、軟制動，按照S形曲線對電機啟動及制動進行精準控制。在啟動及制動過程中，設定的加速度控制在0.08 m/s2以內。同時采用的S120變頻器可依據現場皮帶輸送機運輸量對運行速度進行調節，以便達到提高皮帶輸送機運行效率并降低設備運行能耗的目的。

3.1.2 控制器

多機智能控制系統采用的控制器（PLC）型號為S7-300型，PLC采用模塊化設計，不同模塊間相互獨立并可隨意更換。S7-300型PLC在現場應用中表現出較為明顯的技術優勢，控制指令運算速度控制在0.1～0.6 μs內，控制性能優越。控制器內置有多個集成功能，減小了后續使用期間人工編程量，并可對設備后續運行過程中自身故障進行監測、診斷，并可自動記錄故障類型及位置。

3.1.3 網絡硬件

為確保控制系統平穩運行，皮帶輸送機每個變頻器使用1個PLC進行控制，3個PLC通過光纖網絡連接，PLC與變頻器間通過Profibus-DP通信。具體皮帶輸送機智能控制系統網絡結構組成如圖4所示。變頻器運行過程獲取到的故障信號、控制信號等均會傳輸至PLC進行分析，PLC內置CPU 315-2DP模塊與光纖模塊連接，實現不同PLC間的數據傳輸，具體數據類型包括有電壓、電流、轉矩及轉速。

圖4 智能控制系統網絡結構示意圖

3.2 控制軟件

皮帶輸送機多電機智能控制軟件具體運行流程如圖5所示?？刂葡到y啟動運行后，首先判斷皮帶輸送機是否滿足啟動條件，若滿足啟動條件時則正常啟動，否則應立即停止運行?？刂葡到y包括有自動控制、就地控制兩種控制模式。

圖5 智能控制軟件運行流程

4 現場應用效果分析

為解決礦井使用的DTL1500皮帶輸送機多電機功率不平衡問題，將上文所述智能控制系統應用到電機控制中，并對電機運行情況進行監測，具體監測結果如圖6所示。從圖6中看出，采用智能控制系統后皮帶輸送機3臺電機電流變化曲線基本一致，差值較小，可實現多電機功率平衡。

圖6 電機運行監測結果

現場應用后，可在一定程度上提高皮帶輸送機運行可靠性及穩定性，提高驅動電機使用壽命及穩定性；同時通過智能控制實現皮帶輸送機軟啟動、軟制動，降低啟動或者制動對皮帶輸送機的機械沖擊；通過智能調速可降低皮帶輸送機運行能耗以及磨損，降低設備后續使用維護及維修等費用。

5 結論

1）大功率皮帶輸送機可滿足煤炭長距離、大運量運輸需要，但是在使用過程中面臨的電機功率不平衡問題，同時在設備啟動、制動期間造成的機械沖擊較為明顯，因此在使用過程中如何確保多電機功率平衡是現場應用過程中需要重點解決的問題。

2）提出基于S120變頻器、S7-300PLC以及光纖網絡等構成多電機智能控制系統，并通過電流互感器測量每個電機輸入電流，采用PID控制方法依據輸入電流監測結果調整輸入電流，實現多電機輸入電流一致，達到功率平衡的目的。

3）將多電機智能控制系統進行現場應用，結果表明該控制系統運行平穩，可滿足井下大功率多電機皮帶輸送機運行控制需要，不同電機點功率平衡；同時減少了皮帶輸送機能耗以及維護費用，現場取得較好的應用成果。