煤矿井下皮带运输机变频控制系统的研究与设计.pdf

第２期 总第２ １ ９期 ２ ０ ２ ０年４月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHAN I C A L E N G I N E E R I N G P L C;变频器;自动节能控制 中图分类号T P ２ ７ ３ 文献标识码A 收稿日期２ ０ ２ ０ Ｇ ０ ３ Ｇ １ ２;修订日期２ ０ ２ ０ Ｇ ０ ３ Ｇ １ ７ 作者简介王礼 １ ９ ７ ５ Ｇ ,男,山西大同人,工程师,本科,从事矿山机电方面的工作. ０ 引言 皮带运输机作为煤矿中重要的大型煤炭运输设备 之一, 拥有结构简单易维护、 装载量大、 运输安全稳定、 可实现自动控制等优点.尤其在特殊的井下环境中, 由于运输线路长且倾角大、 空间狭小、 环境恶劣等问 题, 皮带运输机成为大型井下采煤系统中运输设备的 最佳选择.皮带运输机作为煤矿中的主要设备之一, 其与通风机、 空压机等设备的用电量占煤矿作业总用 电量的８ ０％左右, 属于高耗能设备[ １].传统的皮带运 输机控制系统采用单一的恒转速开环控制模式, 当煤 流量较小或空载运行时, 运输机依然以恒定的高转速 运行, 导致电能大量消耗, 生产作业成本提高, 效率大 幅降低.据研究表明 目前国内重点煤矿的皮带运输 机平均 效 率 不 足６ ０％, 与 国 外 先 进 水 平 相 差１ ５％ 左右. 目前许多企业虽然采用了变频控制方式, 但在皮 带运输机的动态监测分析和多电机驱动功率平衡方面 的研究存在不足, 控制精度和可靠性都较差, 无法体现 变频控制的优势.本文设计了一种基于P L C和变频 器的皮带运输机变频控制系统, 利用P L C对运输机系 统进行控制, 实时根据煤流量控制电机频率; 采用变频 器来实现运输机的软启动, 不仅可以实现运输机的无 级调速, 还可实现智能运行[ ２], 从而降低能耗, 对于提 高井下运输系统的自动化、 智能化水平具有重要意义. １ 系统设计总体方案 １． １ 系统架构 本文中的皮带运输机系统选用双机驱动方式, 与 单机驱动相比, 双机驱动在电机功率要求和体型上更 具优势, 但需要解决电机启动电流大、 输出功率不平 衡、 无法实现无极调速等问题, 就需要研究出一套适合 井下运行的皮带运输机双机驱动系统. 本文设计的皮带运输机控制系统主要分为三部 分 第一部分为运行监测层, 主要由电参数采集模块、 带速传感器、 电机转速传感器、 皮带秤组成, 电参数采 集模块用于采集电机的电流、 电压、 功率参数等, 带速 传感器用于采集皮带运行速度[ ３], 电机转速传感器用 于采集电机转速信号, 皮带秤用于采集运量信号; 第二 部分为P L C的控制层, 该层为系统的核心部分, 现场 采集到的参数信号会上传至P L C,P L C根据监测信号 进行分析判断, 完成对皮带运输机的启动、 变频调速、 功率平衡等相应操作; 第三部分是由变频器组成的控 制执行层, 变频器通过P L C发出的频率控制信号输出 相应频率的电压至电动机[ ４], 实现对电机的启动和变 频调速 以 及 其 他 功 能.系 统 总 体 结 构 框 图 如 图１ 所示. １． ２ 功率平衡控制策略 由于系统选用电机型号相同, 供电条件相同, 电机 的功率因数可认为相同, 故选用负载电流作为功率平 衡的依据. 电机运行分为以下三种情况 两台均工作于电动状 态; 两台均工作于发电状态; 一台工作于电动状态, 一台 工作于发电状态.当两台都在电动状态时设其负载电 流为正; 都处于发电状态时设负载电流为负.P L C控制 器接收到各电机的负载电流信号I mm＝１,２, 􀆻,n 后, 计算同时刻各电流的平均值I p＝ ∑ n m＝１ Im/n, 以Ip为基准 值将I m与之比较分别得到差值,k１＝I１－Ip,k２＝I２－ Ip, 􀆻,kn＝In－Ip.当 km Ip １ ０ ０ ％＜５ ％时, 对应电机 频率不需调节; 当 km Ip １ ０ ０ ％＞５ ％时, 需降低对应电机 频率; 当 km Ip １ ０ ０ ％＜－ ５ ％时, 需增加对应电机频率. 图１ 变频控制系统总体结构图 对于电机一台发电一台电动这种情况, 需通过控 制器对比两台电流的绝对值.当发电电机的电流绝对 值较大时, 相当于电机被运输机牵引转动, 故降低电动 电机频率使其进入发电状态.相反, 当电动电机电流 绝对值较大时, 电机牵引运输机运动, 此时需增大发电 电机的频率以使其工作于电动状态.完成上述频率调 节过程使两台电机工作状态相同后, 再按照上述步骤 进行功率平衡调节. ２ 硬件电路设计方案 皮带运输机变频控制系统驱动主电路设计如图２ 所示, 来自井下配电分站的工频三相电通过控制柜输入 端进入, 经输入滤波器、 输入电抗器后进行整流逆变, 输 出的两路交流电经过输出电抗器、 输出滤波器后进入电 机, 电机通电转动, 进一步驱动皮带运输机运行[ ５]. P L C控制器是本系统的核心硬件, 本文选用西门 子S ７ Ｇ ３ ０ ０可编程控制器,C P U选择S ７ Ｇ ２ ２ ６, 该C P U 具有２ ４路数字量输入和１ ６路数字量输出.模拟量输 入模 块 和 模 拟 量 输 出 模 块 分 别 选 用S M ３ ３ １和 S M ３ ３ ２, 主要用于各类传感器模拟信号的采集和模拟 信号的输出[ ６]. 图２ 变频控制系统驱动主电路图 进线端设置的输入电抗器用于抑制变频器内包含 的谐波电流, 从而减小对电网的影响[ ７]; 同时, 它可以 改善变频器的功率因数, 提高用电效率; 减小输入端电 能中的浪涌电流和浪涌电压, 避免对变频器造成严重 冲击, 同时当电压不平衡时输入电抗器还可降低这种 现象对变频器的影响. 变频器在工作时会产生电磁干扰, 影响控制器工 作, 还有可能造成保护设备误动作.通过设置输入滤 波器可以有效抑制电磁干扰现象, 避免设备发生误动 作, 保证皮带运输机的正常运行. 系统在井下恶劣狭窄的环境工作, 控制柜不应设 置在位于现场的驱动电机附近, 设置输出电抗器的作 用就是加长导线距离, 同时还可以抑制由于变频器开 关动作所带来的冲击电压对电缆以及电机的影响, 保 证电缆的绝缘强度和电机的安全运行. 输出滤波器的作用是过滤输出电流中含有的高次 谐波, 减小对电机的损害[ ８], 同时降低输出端的损耗, 提高电能的利用率, 输出端的浪涌现象也可以由输出 滤波器进行抑制, 从而延长电机使用寿命. ３ 软件方案设计 C P U上电并初始化之后开始执行系统主程序, 遇 到中断则执行完中断程序后继续返回主程序运行.系 统主程序主要包含以下部分 运输机启动控制程序、 运 输机停止控制程序、 变频调速程序和故障保护程序等. 变频控制系统启动程序执行时, 首先判断启动条 件是否满足, 当外部电路允许启动后, 检测皮带、 电机 滚筒等驱动机构、 变频器等设备有无故障, 确保无故障 后开始进行启动操作.启动时主电路接触器先闭合, 延时５s后进入变频模式, 在电机到达预定速度前还 须保证电机启动电流正常, 到达预定速度后运输机保 持该速度运行, 启动过程结束.运输机启动程序流程 如图３所示. 按下停止按钮后,P L C控制器发出停止信号, 主 电路接触器断开, 短暂延时后停止变频, 运输机停止程 序流程如图４所示. 系统运行过程中P L C将预定速度传至变频器, 变 频器通过接收到的调速信号进行调节, 当发生过流情 况时立刻停止运行, 否则运输机到达预定速度后进入 􀅱 ７０２ 􀅱 ２ ０ ２ ０年第２期 王礼 煤矿井下皮带运输机变频控制系统的研究与设计 稳定运行, 调速控制程序流程如图５所示. 图３ 运输机启动程序流程图 ４ 结语 本文设计的煤矿井下皮带运输机变频系统在实际 测试中可对电机进行准确平稳调速, 实现了变频运行, 同时大大降低了能耗.经检测, 电机启动电流对供电 系统冲击减小, 故障保护水平提高, 系统的控制精度、 稳定性、 自动化程度都得到了提升, 具有良好的经济效 益和应用前景. 图４ 运输机停止程序流程图 图５ 运输机调速控制流程图 参考文献 [ １] 孙伟, 王慧, 杨海群．带式输送机变频调速节能控制系统 研究[ J]．工矿自动化,２ ０ １ ３,３ ９４ ９ ８ Ｇ １ ０ １． [ ２] 惠武功．综采面采煤机与运输机负荷平衡控制研究[J]． 陕西煤炭, ２ ０ １ ７,３ ６６ ５ Ｇ ８． [ ３] 崔文亮．矿用皮带机运行状态监测系统研究[J]．机械管 理开发, ２ ０ １ ８,３ ３７ １ ０ ０ Ｇ １ ０ ２． [ ４] 张豪, 陶建松．煤矿带式输送机变频调速系统的改造与应 用[ J]．煤炭工程,２ ０ １ ５,４ ７１ ０ ７ ４ Ｇ ７ ６． [ ５] 王盛斌．皮带运输机常见故障分析与处理[J]．石化技术, ２ ０ １ ９,２ ６８ ９ ３ Ｇ ９ ４． [ ６] 苗继军, 姜明学, 等．变频技术在带式输送机远距离运输 中的应用[ J]．工矿自动化,２ ０ １ ３,３ ９４ １ ０ ５ Ｇ １ ０ ８． [ ７] 孙锦, 方超, 曹亮．变频器输入电抗器及直流滤波电容器 的设计[ J]．应用科技,２ ０ １ ４,４ １２ １ ６ Ｇ ２ ０． [ ８] 董 锋 斌．变 频 器 的 输 入 输 出 保 护 [J]．电 气 时 代,２ ０ ０ ６ １ １ １ ３ ０ Ｇ １ ３ ２． R e s e a r c ha n dD e s i g no fF r e q u e n c yC o n v e r s i o nC o n t r o l S y s t e mf o rC o a lM i n eU n d e r g r o u n dB e l tC o n v e y o r WA N GL i H o n g d aC o m p a n yo fD a t o n gC o a lM i n eG r o u p,L i n f e n０ ４ １ ０ ０ ０,C h i n a A b s t r a c tA i m i n ga t t h ep r o b l e m so f l o we f f i c i e n c yo fm o t o ra n dl a r g ep o w e rc o n s u m p t i o ni nt h eo p e r a t i o no fm o s tc o a lm i n eb e l t c o n v e y o r s,av a r i a b l e f r e q u e n c yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nP L Ca n d i n v e r t e r i sd e s i g n e d ． T h es y s t e mc a nm o n i t o r t h ec o a l f l o wo f t h e b e l t c o n v e y o r i nr e a lt i m e,a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m,a d j u s tt h em o t o rf r e q u e n c yw i t ht h eb e s t m a t c h i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb e l ts p e e df a na n dt h ec o a l f l o w,a n dr e a l i z et h ev a r i a b l ef r e q u e n c yo p e r a t i o na n ds m o o t hs p e e d r e g u l a t i o no f t h ec o n v e y o r ．A f t e ra c t u a l r u n n i n gt e s t,t h es y s t e mr u n ss t a b l ya n dh a sr i c hf u n c t i o n s,a n dr e a l i z e sa u t o m a t i ce n e r g y s a v i n gc o n t r o l ． K e yw o r d sb e l t c o n v e y o r;P L C;f r e q u e n c yc o n v e r t e r;a u t o m a t i ce n e r g y Ｇ s a v i n gc o n t r o l 􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄 􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄 􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄 􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀤄􀦄 􀦄 􀦄 􀦄 机械工程与自动化 杂志征订启事 □欢迎订阅 □欢迎刊登广告 □欢迎投稿 开本 大１ ６开 双月刊 页码 ２ ３ ０页 定价１ ２． ０ ０元 全年７ ２元 邮发代号２ ２－１ １ ７ 国内统一连续出版物号 C N１ ４－１ ３ １ ９/TH 国际标准连续出版物号 I S S N１ ６ ７ ２－６ ４ １ ３ 编辑部地址 山西省太原市胜利街２ ２ ８号邮政编码 ０ ３ ０ ０ ０ ９ 电话 ０ ３ ５ １３ ０ ８ ４ ２ ６ ９E Ｇ m a i lj x g c b j b ８＠１ ６ ３． c o m 网址www． m e a a j o u r n a l ． c o m 􀅱 ８０２ 􀅱机 械 工 程 与 自 动 化 ２ ０ ２ ０年第２期