帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉 杰

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

引言

智能電力元件和電子控制技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了礦用變頻器技術(shù)的發(fā)展，礦用變頻器帶式輸送機(jī)、提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)等應(yīng)用較為普遍。之前煤礦皮帶輸送機(jī)采用工頻拖動(dòng)液力偶合器傳動(dòng)，存在動(dòng)力傳輸效率低、無(wú)法功率平衡、啟動(dòng)電流沖擊大、皮帶機(jī)沖擊大各項(xiàng)問(wèn)題，損失了企業(yè)財(cái)力和人工成本，同時(shí)皮帶磨損跑偏嚴(yán)重。液力偶合器維修維護(hù)成本高，環(huán)流無(wú)功損耗。基于此，為提高帶式輸送機(jī)的煤炭輸送效率并控制電力能源損耗，設(shè)計(jì)中應(yīng)用PLC 控制技術(shù)、變頻技術(shù)，對(duì)帶式輸送機(jī)承載的煤量與帶速進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)與匹配，對(duì)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行梳理，從軟硬件設(shè)計(jì)、連接方式和系統(tǒng)組成等方面探究帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法[1-5]。

1 皮帶運(yùn)輸變頻控制及優(yōu)勢(shì)

1.1 帶式輸送機(jī)變頻控制

變頻控制可設(shè)定帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)間和皮帶運(yùn)行速度，避免皮帶直接啟動(dòng)對(duì)機(jī)械沖擊；調(diào)節(jié)可變速給帶式輸送機(jī)檢修和皮帶更換提供便利的條件，同時(shí)根據(jù)輸送煤量情況調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，有效地降能減耗。采用德國(guó)西門子公司的S7-300 型PLC 作主控元件設(shè)計(jì)主控臺(tái)。按照GB/T 17626 電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。皮帶機(jī)和前后級(jí)設(shè)備的閉鎖控制由PLC 進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)檢測(cè)皮帶輸送機(jī)監(jiān)控速度，皮帶輸送機(jī)控制零速時(shí)制動(dòng)器動(dòng)作，自動(dòng)抱閘功能，防止輸送機(jī)溜車和變頻器、電機(jī)過(guò)流等情況。變頻器智能啟動(dòng)帶式輸送機(jī)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的穩(wěn)定啟動(dòng)和調(diào)速外，低速運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間狀態(tài)節(jié)能效果明顯。變頻器通過(guò)煤礦網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)交換，運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)修正。同時(shí)安全穩(wěn)定的主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)跟隨，確保多電機(jī)的功率平衡。故障監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警保護(hù)功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低速驗(yàn)帶功能。驗(yàn)帶速度為0.2 m/s 至額定速度Ve可調(diào)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)短路、接地、過(guò)熱、欠電壓、過(guò)電流、過(guò)電壓等多種保護(hù)。

1.2 變頻控制優(yōu)勢(shì)

變頻調(diào)速是隨著科技的發(fā)展而產(chǎn)生的新技術(shù)，因此，變頻控制與帶式輸送機(jī)相比有比較突出的優(yōu)勢(shì)，主要有以下5 個(gè)方面：一是彌補(bǔ)了帶式輸送機(jī)不能夠軟啟、軟停的缺點(diǎn)；二是幫助帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷平衡；三是通過(guò)變頻調(diào)速可以幫助帶式輸送機(jī)及時(shí)地調(diào)整系統(tǒng)輸出，也方便了操作；四是減少了輸送機(jī)的維護(hù)次數(shù)，提高了輸送機(jī)的使用質(zhì)量；五是在一定的程度上節(jié)約了能源與成本。

2 變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)在使用的過(guò)程中啟動(dòng)與急停都需要較大的沖擊，而變頻控制系統(tǒng)能夠幫助其減緩沖擊，并且提高輸送機(jī)的穩(wěn)定性，并有效延長(zhǎng)輸送機(jī)的使用年限。變頻控制系統(tǒng)中PLC 選用西門子S7-300 系列，變頻器選用ZJT-300 隔爆系列，這樣才能最好地實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整的及時(shí)性與可靠性。與此同時(shí)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的抗干擾能力有所增強(qiáng)。帶式輸送機(jī)在使用的過(guò)程中雖然是比較方便的，但是其也存在著問(wèn)題，比如它的啟動(dòng)和關(guān)停不穩(wěn)，而且使用時(shí)很容易出現(xiàn)物品滑落，同時(shí)對(duì)于輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)也有著較大的沖擊力，這些問(wèn)題的存在雖然短時(shí)間內(nèi)的影響較小，但長(zhǎng)此以往，對(duì)帶式輸送機(jī)的毀損是比較大的，因此變頻控制系統(tǒng)的出現(xiàn)在很大程度上幫助帶式輸送機(jī)解決了這些問(wèn)題。變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)該結(jié)合帶式輸送機(jī)的使用。

2.1 PLC 選型

PLC 是帶式輸送機(jī)變頻控制使用的主要處理器，選取適合帶式輸送機(jī)運(yùn)用的PLC 才能夠更好地提高工作效率，而S7-300 型西門子PLC 由于具備較強(qiáng)的操作與控制性、通信穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，因此，將其運(yùn)用于帶式輸送機(jī)變頻系統(tǒng)中才能夠更好地發(fā)揮其價(jià)值與作用，完善帶式輸送機(jī)設(shè)備。

2.2 變頻器設(shè)計(jì)

變頻控制系統(tǒng)中PLC 是發(fā)布指令的設(shè)備，而變頻器則為接收指令的設(shè)備，接收到PLC 的指令后變頻器才依據(jù)指令開(kāi)始行動(dòng)，變頻器控制實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、啟動(dòng)損失小、檢修方便。帶式輸送機(jī)是由傳動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)的，滾動(dòng)筒連接著變頻器，這樣才能夠及時(shí)實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)。變頻器的類型是多種多樣的，在選擇時(shí)一定要根據(jù)帶式輸送機(jī)的功率和電流選擇，而現(xiàn)實(shí)生活中為了更好適應(yīng)生活中帶式輸送機(jī)的使用情況，ZJT-300 隔爆型變頻器是較好的選擇，變頻器本身具備穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性的優(yōu)點(diǎn)，因此使用變頻器能夠提高工作效率。變頻器電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變頻器電氣系統(tǒng)

3 變頻控制電路設(shè)計(jì)

3.1 模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

控制的關(guān)鍵是變頻控制系統(tǒng)中模擬數(shù)據(jù)，帶式輸送機(jī)中模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換占有十分重要的地位，然而對(duì)它的分辨率要求并不是十分嚴(yán)格，高精度控制在1/2000以下即可，在此種分辨率下更要依據(jù)曲線速度實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)。同時(shí)模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提高抗干擾能力。根據(jù)煤礦防爆設(shè)備特點(diǎn)，超過(guò)12 位精度的模擬轉(zhuǎn)換器效果才能達(dá)到合理水平。煤礦井下供電控制方面，具有較顯著的噪聲信號(hào)需要余量預(yù)留精度到位數(shù)。因此，采用16 位雙極型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606 為帶式輸送機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器安全可靠。

3.2 輸送通信

帶式輸送機(jī)變頻系統(tǒng)的下位機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中受到外部影響信號(hào)，致使整體系統(tǒng)穩(wěn)定性能下降，只有不斷完善通信電路的設(shè)計(jì)才能夠促使通信信號(hào)加強(qiáng)提高，才能將高精準(zhǔn)的信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。采用CPRS 遠(yuǎn)程通信和RS-485 串行通信相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集、傳輸，通信方式安裝、調(diào)試、運(yùn)行、使用性價(jià)比高。系統(tǒng)支持多節(jié)點(diǎn)通信形式，電氣元件得到顯著保護(hù)。實(shí)現(xiàn)GRS 模塊相關(guān)控制指令實(shí)現(xiàn)RS-232 接口的接收或轉(zhuǎn)換。同時(shí)系統(tǒng)通信模塊外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單易于操作，遠(yuǎn)程通信抗串行干擾能力強(qiáng)，確保GPRS 信號(hào)的高質(zhì)量和高穩(wěn)定性。

4 運(yùn)行效果

4.1 打滑保護(hù)

輸送帶速度10 s 內(nèi)均在（50%～70%）Ve范圍內(nèi)，輸送帶速度小于或等于50%Ve、大于或等于110%Ve時(shí)打滑保護(hù)應(yīng)報(bào)警，同時(shí)中止膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行，對(duì)膠帶輸送機(jī)正常啟動(dòng)和停止的速度變化，打滑保護(hù)裝置無(wú)保護(hù)動(dòng)作。

4.2 堆煤保護(hù)

裝置在2 s 內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)到矸位超過(guò)預(yù)訂值時(shí)應(yīng)預(yù)警，同時(shí)，中止膠帶輸送機(jī)運(yùn)行。由改變傳感器偏角或動(dòng)作行程實(shí)現(xiàn)保護(hù)的堆煤保護(hù)裝置，其保護(hù)動(dòng)作所需的作用力不大于9.8 N。

4.3 跑偏保護(hù)

當(dāng)運(yùn)行的輸送帶跑偏超過(guò)托輥的邊緣20 mm（如使用三聯(lián)輥的膠帶輸送機(jī)超過(guò)70 mm）時(shí)，跑偏保護(hù)裝置應(yīng)報(bào)警。當(dāng)運(yùn)行的輸送帶超出托輥20 mm（如使用三聯(lián)輥的膠帶輸送機(jī)超過(guò)70 mm），經(jīng)延時(shí)5～15 s后，跑偏保護(hù)裝置應(yīng)可靠動(dòng)作，能夠中止膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行。對(duì)于使用接觸式跑偏傳感器之類的跑偏保護(hù)裝置，其保護(hù)動(dòng)作所需作用于跑偏傳感器中點(diǎn)正向力為20～100 N。

4.4 煙霧保護(hù)

連續(xù)2 s 內(nèi)，煙霧濃度達(dá)到1.5%時(shí)，煙霧保護(hù)應(yīng)報(bào)警，中止膠帶輸送機(jī)運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)灑水裝置，灑水降溫。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)由西門子S7-300 系列的PIC 控制組成，設(shè)備的承載、溫度實(shí)時(shí)反饋信息，同時(shí)ZT-300 變頻器與PLC 之間具有良好的兼容性和可靠性。在原有輸送機(jī)基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代變頻控制技術(shù)將制約輸送機(jī)能耗的主要因素輸送速度、輸送運(yùn)量、輸送功率相結(jié)合。穩(wěn)定可靠的帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)，對(duì)井下工作環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，這對(duì)于后期的升級(jí)和維護(hù)有著很大的推動(dòng)作用，進(jìn)而更好地促進(jìn)帶式輸送機(jī)向著智能化的方向發(fā)展，為煤礦智能化建設(shè)提供借鑒與參考。