皮帶運輸機變頻驅動方案設計與實現

王小雅

（西山煤電集團官地礦選煤廠，山西 太原 030022）

煤礦運輸系統主要由皮帶運輸機、刮板運輸機、提升機組成，在數量上以皮帶運輸機為主。老式皮帶運輸機軟起動時需使用液力耦合器或者液力軟啟動器，該類設備的維護困難、能耗高、機械磨損嚴重、維護費用較大，已經不能滿足皮帶運輸機智能化建設需求[1-2]。隨著變頻技術的不斷進步和完善，對皮帶運輸機進行變頻調速控制有助于節能降耗、增加煤礦企業經濟效益[3]。對皮帶運輸機控制系統進行變頻控制方案設計，達到變頻調速、節能降耗的目的，同時可提升皮帶運輸機的智能化水平。

1 皮帶運輸機驅動裝置分析

皮帶運輸機驅動裝置主要有：

1）直流直接驅動，具有低速、過載能力強、大力矩的特點，但存在價格高、控制復雜、維修量大的缺點，實際應用較少。

2）籠型電機與減速器直連驅動，具有起動時間短、經濟實用的特點，但存在起動電流大、打滑事故頻發的缺點，適用于37 kW 及以下小功率中速皮帶運輸機。

3）籠型電機與液力偶合器復合驅動，具有操作簡單、維護方便、可軟起動和過載保護的特點，但存在多電機功率不平衡的問題[3]。

4）交流電機與變頻器復合驅動，具有平穩起動、功率因數高、損耗小、可實現無極高精度調速的特點，適用于長距離、復雜皮帶運輸機。

常用的變頻控制技術有V/F 控制、矢量控制以及直接轉矩控制等[4-5]。皮帶運輸機的驅動分為單機驅動、雙機驅動以及多機驅動三種。常見的為雙機驅動，即1#電機拖動主動滾筒，2#電機拖動從動滾筒，皮帶在經過一個導向輪運行到井底完成依次運煤過程。皮帶運輸機變頻驅動方案設計以雙機驅動皮帶運輸機為研究對象，設計雙電機變頻驅動方案，以達到節能減排、提升智能化控制水平的目的。

2 變頻控制原理分析

雙機驅動皮帶運輸機運行時，兩部電機一起工作，啟動順序需為前一級設備啟動后，下一級設備方可啟動。在前級閉鎖解除后，對皮帶運輸機電控系統的各個狀態進行檢測判斷并具備起車條件后才能啟動。雙機驅動皮帶運輸機變頻控制原理框圖如圖1 所示。皮帶運輸機控制系統發出起車指令后，變頻器起動。操作臺按下變頻運行信號，變頻器按照操作臺給定的運行信號輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機按給定的S 形曲線軟啟。當操作臺發出指令使抱閘打開時將關閉運行信號并使變頻器急停，防止變頻器因堵轉而出現過流跳閘。皮帶運輸機正常運行過程中，根據煤流量的大小對皮帶帶速進行實時變頻調節； 當皮帶帶速與滾筒速度的差值超過設定的閾值后緊急停車并發出打滑報警信號。

圖1 皮帶運輸機變頻控制原理

3 方案設計

為有效實現雙電機負載平衡控制，皮帶運輸機變頻驅動方案設計框圖如圖2 所示，采用主從方式進行控制。定義1#變頻器為主變頻器，2#變頻器為從變頻器，由操作臺發送給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間以ModBus RTU 總線通訊模式實現數據傳輸。1#變頻器作為主控，檢測1#、2#電機的運行電流，發出輸出轉矩給定值，控制2#從變頻調速系統同步運行。主控變頻調速系統和從控變頻調速系統均有外部信號連鎖控制和狀態、報警邏輯信號輸出，主控變頻調速系統接收本地或者遠程的“啟動”、“停機”和“緊急停機”指令，以及來自從控高壓變頻調速系統的 “緊急停機”指令，從控變頻調速系統接收來自主控變頻調速系統的“啟動”和“緊急停機”指令，同時接收從控變頻調速系統本地或者遠程聯動的 “緊急停機”指令。在兩臺變頻調速系統的PLC 邏輯程序中進行邏輯互鎖，使得兩臺變頻調速系統同時啟動，同時停機。

圖2 帶運輸機變頻控制方案設計

4 硬件設計

皮帶運輸機變頻驅動方案中的核心硬件為控制器、變頻器以及驅動電機。選用的控制器為羅克韋爾的compactlogix 5000 PLC，具有響應速度快、數據處理能力強、對外接口豐富的特點。選用的變頻器型號為1 140 V 礦用隔爆兼本質安全性變頻器BPJ1-630/1140（K），該變頻器的主電路采用三電平拓撲結構，主功率器件均為國內外一線品牌，可靠性高[6]。主要用于控制和調節三相交流異步電機的速度和轉矩。采用高性能的矢量控制技術，低速高轉矩輸出，友好的人機信息交互，性能穩定。可應用于煤礦井下、具有煤塵、瓦斯等環境中?？蓪崿F電動機軟啟動、軟停車和運行過程中的速度控制等功能。該變頻器具有運行可靠性高、功率平衡功能優異、對供電電網其他設備干擾小的特點。選用的電機型號為YB-450M1-4，額定電壓為10 000 V，額定電流為23 A，額定功率為315 kW，額定頻率為50 Hz，額定轉速為1 485 r/min，功率因數為0.82，采用Y 型接法。

5 軟件設計

皮帶運輸機變頻驅動方案軟件設計基于RSLogixTM 5000 軟件平臺并采用ST 語言編程實現。該軟件平臺基于IEC1131-3 標準，集成度較高、功能完備、操作簡單。根據煤流量信息計算皮帶運輸機的期望帶速，實時采集安裝在皮帶運輸機機身的速度傳感器數據。該數據為帶速實際值，采用模糊控制算法，以期望帶速與實際帶速的差值以及差值變化率為輸入信號，實時控制皮帶運輸機加速、減速、恒速運動，當煤流量超限后出發語音聲光報警。皮帶運輸機變頻驅動方案軟件設計采用模塊化編程理念，先后完成程序編寫、模塊測試、單元測試以及系統聯調。

6 試驗分析

為驗證設計并實現皮帶運輸機變頻控制系統的正確性和適用性，在山西焦煤西山煤電集團官地煤礦進行工業性試驗。用于試驗的皮帶運輸機機頭、機尾電動機的額定功率為1 000 kW，額定頻率為50 Hz，線電壓為380 V，極對數為2，磁鏈為0.96 Wb，帶速范圍為1.0～5.5 m/s。機頭電機的定子電阻為0.087 Ω，定子漏感為0.85 mH，轉子電阻為0.23Ω，轉子漏感為0.8 mH。機尾電機的定子電阻為0.177 Ω，定子漏感為0.92 mH，轉子電阻為0.26 Ω，轉子漏感為0.95 mH。皮帶運輸機非滿載運行時，速度、功率、能量效率統計數據如表1 所示，當煤量輸送量為1 600 t/h 時，煤料密度由0.41 kg/m3逐漸增加至1.2 kg/ m3，帶速由3.4 m/s 逐漸減小至1.3 m/s，能量消耗率由0.491 W/kg.m 逐漸降低至0.288 W/kg.m，達到了節約電能，降低能耗的目的。

表1 皮帶運輸機非滿載運行功率/能耗統計

7 結論

以皮帶運輸機為研究對象，重點介紹了皮帶運輸機變頻驅動方案的硬件、軟件設計思路和方法，基于AB 的compactlogix 5000 PLC 控制器，融合變頻控制技術、ModBus 通訊技術以及傳感器技術進行方案設計和實現并完成系統測試：

1）設計的皮帶運輸機變頻控制方案，能夠根據煤流量動態調節帶速，杜絕空載、輕載現象，達到了節能降耗的目的。

2）經試驗分析，設計的皮帶運輸機變頻控制系統滿足設計要求，提升了皮帶運輸機的智能化水平，有助于提升皮帶運輸機作業安全系數和作業效率。