基于自适应变频调速的矿井皮带运输系统.pdf

2 0 1 5年第 3期 总第 1 1 4期 源 与 { } 圭 E NE RGY AND E NE R GY CONS E R VAT I ON 咚 基于 自适应变频调速的矿井皮带运输 系统 崔 楠 楠 河南能源化工集 团永煤公 司，河南 永城 4 7 6 6 0 0 摘要 运输皮带系统是国内煤矿的新兴产业，被认为是建设现代化矿井的重要指标。为了使得主井皮带的工作频率 和传 输速度能 实时跟踪上一级运输的物料 变动，必须采用闭环变频调速的 系统 。因此需要 对煤流监测环节 、P L C 控 制环 节进行升级和优化，达到提高系统智能化和高灵敏度的 目的。在理论分析、推算的基础上，提出了基于动态监测煤流量 来 自适应调频调速的矿井运输控制 系统。 关键 词 矿井运输 皮带； 自适应 变频调 速；煤流量监测 ；P L C控制 中图分类号 r I 5 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 5 0 3 0 1 9 0 0 3 A M i n e Be l t Tr a ns p o r t S y s t e m Ba s e d o n Ada p t i v e Va r i a bl e Fr e qu e n c y S pe e d Co nt r o l Sy s t e m CUI Na n n a n Y o n g c h e n g Co a l C o mp a n y o f H e n a n E n e r g y a n d Ch e mic a l I n d u s t ry Gr o u p ， Y o n g c h e n g 4 7 6 6 0 0 ， H e n a n ， Ch i n a Ab s t r a c t T h e t r a n s p o r t b e l t s y s t e m i s a n e me r g i n g d o me s t i c c o a l i n d u s t ， w h i c h i s c o n s i d e r e d a n i mp o r t a n t i n d i c a t o r o f b u i l d i n g a mo d e r n mi n e ． I n o r d e r t o ma k e t h e o p e r a t i n ge q u e n c y o f t h e ma i n s h a f t a n d t h e t r a n s mi s s i o n s p e e d t o k e e p t r a c k o f ma t e r i a l s c ha n g e s a b o ut t h e s up e r i o r s l e v el ，we mu s t u s e t he c l o s e d l o o p e qu e ne y c o n t r o l s y s t e m．He n c e，i t i s i mpo rta n t t o up g r a de a n d o p t i mi z a t i o n t h e c o a l fl o w mo n i t o r i n g l i n k s a n d P L C c o n t ml l i n k s ．B a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， a k i n d o f mi n e t r a n s p o rta t i o n ad a p t i v e c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n d y n ami c mo ni t o r i n g o f c o a l flo w i s p r o p o s e d ． Ke y wo r d s mi n e t r a n s p o r t b e l t ；a d a p t i v e e q u e n e y c o n t r o l ；c o a l fl o w mo n i t o ri n g ； P L C c o n t r o l 0 引言 矿井运输皮带控制系统主要是通过逆启顺停来实 现的。在启动皮带电动机时 ，需逆着煤流方 向，逐 台 经一定延时顺序启动；当需要停止系统运行时 ，顺着 煤流方向，逐台经一定延时顺序停止。由于P L C 逻辑 控制具有稳定性强 、可靠性高的优点 ，能表达复杂逻 辑的控制，因此控制系统全部采用可编程控制器来实 现对运输皮带的控制【 1 划。P L C 通过通信总线向电气设 备发出控制信号。借助中控室上位机中安装的组态软 件，运行人员能实时查询到现场设备运行状况口 J。P L C 和变频调速系统及煤流量监测系统配合实现对设备的 综合参数监控 ，减少了因为现场巡检带来的工作量 。 本文给出了整套矿井运输机 的自动控制 系统 ，同时引 入 了远程控制及故障在线诊断等智能化运行功能 。 在力矩变化很大时也能平稳调速 。对于运输系统是通 过改变皮带传输速度来改变物料流速，要求输出力矩 适应范围比较大 。由于变频器可以通过改变电机频率 和工作电压来移动运行 曲线 ，可以具有较小的启动电 流 ，同时启动转矩可以很大 ，能满足物料粒度很大的 重载场合 。 综上所述 ，变频器是利用改变三相交流异步电动 机 的工作频率来改变电机转速和皮带运输速度 ，相应 转速公式是 n 二 ， 1 P 式 1 中，n 为电机转速，r ／ m in ；厂 为电机T作频率， H z ；s 为转差率 ，％；P 为电机极对 数。从式 1 中看 出 ，转速和工作频率成正 比，因此可 以利用改变 电源 频率来实现变频调速 ，不仅调速范围宽 ，平滑性也较 好 ，负载转矩变化范围宽 ，机械特性较硬。 1 矿井运输机的变频控 制原 理 2 运输系统整体 装置结构 很多矿井要求调速系统具有较宽调速范 围，即使 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 2 6 作者简介 崔楠楠 ，1 9 8 9 年 生，男 ，河南永城 人，2 0 1 2 年 毕业 于安徽理 工大学电气工程及 其 自动化专业 ，助理 工程 师。 I 9 0 用于上下提升的皮带系统依据上部运输皮带的煤 流量确定 自适应变频调速系统所需各项硬件电路。图 1 所示是本设计运输系统的整体硬件连接 图。该调速 控制系统的中央处理器选用P L C ，输入和输 的开关 2 0 1 5年第 3 期 崔楠楠 基于白适应变频调速的矿井皮带运输系统 2 0 1 5年 3 月 量包括模拟量和数字量 。 图 1 运输 系统整体装置结构框图 随着现代化煤矿深入发展，对于矿井皮带运输要 求全面实行集中控制化 ，一方面通过减少运行人员来 降低生产成本，另一方面通过智能化来提高设备运行 效率。其中主要涉及针对皮带运输系统通信控制系统 集 中控制的改进和功能扩展 。 矿井皮带通信控制系统主要分布在沿线每条皮带 侧 ，随后集中到中央控制台，以此来实现智能集中控 制。本文设计采用基于模块化的P L C 煤流监控装置， 不仅系统结构简单，而且提高了运行可靠性。可编程 逻辑控制器P L C 是一种用于对工业生产过程设施数字 运算控制的电子操作系统，是集计算机网络、自动控 制与通信于一体的装置。利用变频器的多种功能实现 对系统的复杂控制，同时简化了装置控制回路，大大 提高了运行设备可靠性和高效性 ，减少了维修次数 ， 能全面提升煤矿运输系统智能化水平。 P L C 控制系统的设计要求 可编程逻辑控制器采用西门子s 7 3 0 0 ，该P L c 配 置有 电源模块 、开关量输入／ 输 出模块 、模拟量输入／ 输出模块等。s 7 3 0 0 负责对信号的采集、转换和处 理 。P L C 控制 中心和别 的在线监测设备互联 ，不仅要 接收现场设备测量信号并传送到上位机， ‘ 而且要依据 上位机发出的操作信号，经P L C 转换后向现场设备发 出控制信号，方便对设备的调节 、启停 、互锁和声光 报警等功能。在此基础上，利用配置的以太网接口向 设备调度中心传送设备运行参数。P L C 主要控制参数 包括a 利用P r o fi b u s D P 通信总线与2 台变频器联接， 达到电机软停止、软起动及变频调速的目的；b 采集 设备工作电压、定子电流、功率因素、电源频率及当 前电机转速等运行参数；对张紧装置的启停进行控制 及相应的状态监测。 4 煤流量监测系统的设计要求 为了准确监测皮带运输机煤流量及实现调频调速 运行 ，需要在上部皮带机离机头位置较近处装设电子 皮带秤称设备。将带有重量传感器的桥架装设到运输 皮带纵梁上 ，利用重量传感器附带的称重桥架测量运 输皮带上面的煤重 ，并输出一个和皮带负载成正比的 电信号，转动的传输机与速度传感器通过滚动轮产生 脉冲序列信号 ，每一个脉冲宽度代表某一段皮带长 度，因此脉冲宽度和运输速度成正比。利用积算仪将 皮带负荷和运输速度用积分法进行计算，最终换算成 规定单位标准，通过显示器将瞬时物料流量和累计流 量显示，并将检测信号经放大后利用系统信号传输线 路传送给主控制器，主控制器发出控制信号改变运输 机 电机转速 ，反馈调节煤流量。 5 运输机 自适应变频器选择 西门子s 7 3 0 0 功能模块主要包括电源模块、中 央 处理 器C P U、信 号处 理模 块 、编程 工具 S T E P 7 及 P r o fi b u s 通信线路等。 5 ． 1 C P U 模块 中央处理器是控制系统的核心 ，主要承担系统的 数据存储、程序执行及与外围的通信。该模块选用紧 凑型的C P U 3 1 4 C，输入和输出的模拟量 、开关 量为集 成 的，主／ 从站接 口为P R F I B U S ，由于带有和过程有关 的功能 ，因此能实现一些特殊功能 ，与标准I ／ O 设备连 接。处理器共有4 种工作模式启动、运行、保持和停 机。以上模式都可利用MP I 接 口和别的设备进行通信。 5 ． 2 编程工具S T E P 7 S T E P 7 主要用于实现P L C 组态和编程的软件程序。 该编程工具功能强大 ，主要组件有 用于管理所有工 具和项目数据的S I M A T I C 管理器； 用于以F B D 、S T L 和 L A D 编译程序的程序编辑器；用于全局变量管理的符 号编辑器； 用于参数化硬件和组态的硬件组态；用于 智能系统状态监测的硬件诊断；用于组态M P I 和网络 连接的N e t P r o 。 变频器容量选择 问题需考虑是否和电动机容量匹 配 ，变频器容量存在小偏差时会对 电机有效力矩输出 产生影响，破坏设备正常运行 ；当变频器容量偏差大 时 ，电机定子 电流中存在很大谐波分量 ，导致设备投 资增加。运输系统负载特性确定以后，变频器容量简 化成3 个参数来表达 变频器的输出功率、额定工作 电流和最大瞬时电流。上述3 个电气参数中，无论采 用哪一种表示法 ，最终还要 回归到选择变频器额定电 流，需结合现场工作情况及变频器供给电动机的电流 来确定 。由于变频器过载包括两类 当承受 1 ． 2 倍或 1 91． 2 0 1 5 年 第3 期 ； 夏 占 钍 2 0 1 5 年3 月 1 ． 5 倍 的额定电流时都必须可持续运行 1 rai n 。因此变 频器正常运行时负载总电流应小于规定额定电流 ，且 电动机启动电流小于变频器最大瞬时 电流 ，所以在计 算变频器过载能力时需考虑电机过载程度。 运输 系统变频器一般选用 “ 一拖一 ”运行方案 ， 变频器容量完全满足 电动控制需要 ，控制范 围较大 ， 运行安全可靠 。最关键 的是对力矩平衡的控制 问题 ， 多台变频器运行时依靠 内部 “ 主一 从 ”逻辑达到力矩 及转速平衡。主传动选择闭环转速控制方案，从传动 选择闭环力矩控制方案 。主从传动之间依靠通信建立 连接 ，同时设置变频器参数 ，当主传动 出现故障或需 要维护时 ，依靠变频器之间联锁控制 ，将其中一台从 传动升级为主传动运行，保证传输系统仍然能在低负 荷下运行 。 行自动反馈控制。当物料流量较小时，依靠变频器实 现降频减速 ；当检测 到物料流量较大时 ，P L C 主控制 器拖动变频 器进行升频加速 ；当皮带上不带有 物料 时 ，依靠远程控制功能停止运输皮带工作 。该系统节 能效果明显 ，引人 了白适应的变频调速控制 ，能根据 负载变动动态输出功率 ，和传统调速方式相 比，大大 降低了整个系统的能量耗损 。 参考文献 [ 1 ] 朱仁初， 万伯仁． 电力拖动控制系统设计手册[ M] ． 北京 机 械 工 业 出版 社 ， 1 9 9 2 ． [ 2 ] [ 3 ] 6 结语 [ 4 ] 提 f 【 5 的矿井皮带运输系统能根据物料流量多少进 吴中俊， 黄永红． 可编程控制器原理及应用[ M] ． 第 2版． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． Wa l t e r N ． A l e r i c h ， S t e p h e n L ． H e r m a n ． 电机与控制翻译版[ M] ． 第 7版． 北京 北京理工大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 顾永辉 ， 范廷瓒． 煤矿 电工手册第三分册一提 升机 电力拖 动 交流部分[ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， l 9 8 0 ． 责任编辑 高志凤 ● C ● ●●C ●C 、 ●C ● ● 0●t ， ● ●C ● ●o● 0● ●C● ●、 ● ● ● 上接 1 6 9页 b 在注浆过程中，严格控制浆液浓度，压力不升 且进浆量也不减时，就逐渐加大浆液浓度；反之，压 力上升快且进浆量减量也快 ，就依次降低浆液浓度。有 效控制了注浆工程量 ，提高了注浆效果，减少了投资。 5 与 当前 国 内外 同类研 究 同类技 术 的综 合 比较 本次注浆采用分层多次调压调浆注浆方法 ，包括 以下工艺步骤 a 1对含水层位置 、深度及含水层周边 地质情况进行深入研究 ，确定止浆带位置及深度 ；b 在注浆孔轴线方向，根据不同承压条件 ，埋设不同数 量 、不同长度的注浆管 ，以使浆液在不同的特定部位 扩散 ；c 对单孔进行多次注浆或对堵截含水层岩体分 序孔进行注浆。本方法针对性强 ，适用于对特定含水 层进行注浆堵水 ，特别是对岩溶发育地区、孑 L 隙率大 等地质条件下传统注浆方法易跑浆 、露浆等 问题提供 了一种有效处理方法 ，通过对注浆工艺 、注浆材料等 技术改进 ，解决 了原有施工工艺的不足和缺陷。 6 结语 针对五里堠进风立井井筒工作面注浆堵水工作 ， 进行 了系统T作面预注浆施T工艺 、浆液扩散规律和 模拟试验研究。项 目通过系统研究进风立井井筒含水 层 的_丁作面探水预注浆技术 ，研究立井T作面注浆堵 水技术和突水情况下止浆垫施工技术 ，为立井注浆堵 水丁作提供 了借鉴经验 ，具有重要应用价值。 l 92 参考文献 [ 1 ] 林文彬． 护壁堵漏水泥浆的改性与灌注问题的探讨[ J ] ． 西部 探矿工程 ． 2 0 0 9 8 6 7 6 8 ． [ 2 ] 潘立文 ， 伍松． 全胶 结注浆法在煤 矿采空区治理 工程 中的 应用[ J ] ． 中国地质灾害与防治学报， 2 0 1 0 3 4 9 5 1 ． 责任编辑高志凤 船 逝啦 能 源知 识 乔芥芥恭芥 如何确定地面水质监测采样时间与频率 a 1 饮 用水源地 。全年采样不 少于 l 2次 ，采样 时 间根据具体情况选定 ；b 河流。较 大水 系干流和 中、 小河流全年采样不少于 6次，采样 时间为丰水期 、枯 水期和平水期 ，每期采样 2次。流经城 市或工业 区， 污染较 重 的河 流 、游 览水 域 ，全 年采 样 不 少 于 1 2次 。 采样时间为每 月 1次或视具体情况选定 ；c 1 排 污渠。 全年采样不少于 3次；d 底 泥。每年在枯水期采样 1 次；e 背景断面。每年采样 1 次 ，在污染可能较重的 季节进行 ；n潮汐河流。全年按 丰、枯 、平三期 ，每 期采样 2 d ，分别在 大潮期和 小潮期进行 ，每 次应 当 在 当天涨潮、退潮时采样 ，并分别加 以测定 。涨潮水 样应 当在各断面涨平时采样 ，退潮时也应 当在各断面 退平 时采样 ，若无条件 ，小潮期可不采样 ；g 1湖泊 、 水库 。设有专 门监测站的湖、库 ，每 月采样不少于 1 次 ，全年不 少于 l 2次 ，其它湖 、库每年 采样 2次 ， 枯 、丰 水期各 一次 。有废 水排 入 、污 染较 重 的湖 、 库 ，应酌情增加采样次数。