变频控制技术在煤矿刮板运输机中的应用.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 DDS.直接数字式频率合成器。 图 1刮板运输机驱动系统示意图 生产作业过程的智慧化建设是矿井生产发展的必 然趋势之一，也是提升矿井生成作业效率和生产安全 的必然选择[1]。而智慧化矿山就是指在矿井工业背景 下，通过智能网络将矿井生产所涉及的人、设备和环 境连接起来，运用大数据分析，以整体掌控矿井生产 的实际情况。其中，智慧矿山系统的重要构成要素包 括生产运输系统的智能化建设，特别是对于刮板运输 机的智能运行而言，更是推动矿井生产持续高效开展 的关键所在。 1智能控制系统硬件构成 刮 板 运 输 机 智 能 控 制 系 统 选 用 1 台 型 号 为 BPJV-21250/3.3 的高压变频装置作为驱动核心，变 频装置供电通过容量 2 500 kV A 的移动变电站供应。 变频装置具备 2 个独立回路，单个回路能够拖动功率小 于 1 250 kW 的电动机，进而能够实现对刮板运输装置 两端任意电机的单独启动或联合启停。变频装置内部 选用 CAN 总线的通讯方式，2 个回路间能够自动调整， 从而达成有效的主从运行和动态功率平衡。 图 1 即为智能驱动系统构成示意图[2]，其主要构成 组件包括地面端局云服务器、数据采集装置、电机振动 感应装置、激光扫描装置、操作箱、链条液压张紧系统 等。作业时，操作箱充当上位机，借助 CAN 总线与变 频装置、采集箱、振动感应装置和链条液压张紧系统相 互连接，并借助总线系统对各个装置监测到的煤流量信 息进行汇总分析，从而调节矿井的运输。 2智能控制系统实施方案 借助 CAN 总线，实现操作箱对刮板运输机自动张 收稿日期2020-04-15 作者简介侯祥，1986年生，男，山西晋中人，2012年毕业于太 原理工大学电气工程及自动化专业，助理工程师。 变频控制技术在煤矿刮板运输机中的应用 侯祥 （ 阳煤集团股份有限公司二矿，山西 阳泉 045000 ） 摘要 以变频控制技术在煤矿刮板运输机中的应用为对象开展探究，在分析基于变频技术的刮板运输机智能控制系 统硬件构成的基础上，对智能控制系统实施方案做出总结，并就高压变频驱动应用开展探究，希望能够为其他矿井相似 工作的开展提供借鉴与参考。 关键词 刮板运输机；变频控制技术；硬件构成 中图分类号 TD634.2； TM921.51文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0175-02 Application of Frequency Conversion Control Technology in Scraper Conveyor of Coal Mine HOU Xiang No.2 Coal Mine, Yangquan Coal Industry Group Co., Ltd., Yangquan 045000, Shanxi, China Abstract This paper discussed the application of frequency conversion control technology in scraper conveyor of coal mine. Based on the analysis of the hardware structure of the intelligent control system of scraper conveyor based on frequency conver- sion technology, it summarized the implementation scheme of the intelligent control system, and explored the application of high- voltage frequency conversion drive, hoping to provide reference for the similar work of other mines. Key words scraper conveyor; frequency conversion control technology; hardware structure （总第 177 期） 实践运用 机头 机尾 1 000 kW/3 300 V 振动传感器 煤量 检测 机头驱动部 数据采集箱 机尾驱动部 数据采集箱 机尾张紧 控制器 高压组合变频器 以太网 CAN总线 CXJ127S操作箱 移动变电站 地面 端局云服务器 控 制 信 号 1 000 kW/3 300 V振动传感器 175 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （下转 190 页） 紧装置的控制[3-4]。在刮板运输机启动时，操控链条张 紧装置对链条进行预张紧操作，在完成张紧后方可启 动刮板运输机。当刮板运输机停机时，需先终止变频 装置输出，随后对链条实施松链。与此同时，自动张 紧装置还会根据操作箱链条状态向作业人员提供链条 作业状态，相关参数会显示在人机交互界面。 配设煤量扫描装置，通过激光扫描技术实时监测 刮板运输机运煤量。作业时，扫描装置将运输的煤流 量数据实时传递至操作箱，同时，内设的 PLC 控制装 置借助煤流数据和电机电流数据，分析得出最佳运行 速度。同时，操作箱还会将 CAN 总线传输的速度信号 发送至变频装置，从而实现对刮板运输机的智能调节。 刮板运输机驱动数据的收集通过采集箱完成，作 业时每个驱动部件配设数据箱一个。数据箱内部配设 有多个温度监测模块，能够对设备运行时的电机或减 速装置温度信号进行实时监测，将多路模拟量信号转 化为 CAN 总线可识别的数据帧，并将相关信息传输至 操作箱，进而借助操作箱 PLC 控制装置实现对驱动部 数据的有效监控。 刮板运输机运行时驱动部的运行过程状态全部由 布设于电机基座区域的振动感应装置监测获得，借由 对电机振动幅度和频率的掌握，实现对驱动部运行异 常状况的监测和预警。 3高压变频驱动应用分析 此次设计所用的 BPJV-22150/3.3 高压变频装置 具备 2 条相互独立的输出回路，并有效驱使自身所控 制的 2 台 1 000 kW 的电机进行变频调速作业。图 2 即 为变频驱动装置拓扑结构示意图。整个变频装置为十 二脉冲整流变频装置，通过 1 台 2 500 kV 的变电站进 行供电，所用变电站拥有 2 条输出线路，彼此间存在 30毅相位差。采取这种供电方式能够有效降低谐波对各 设备和电网的扰动，具体的功能如下。 AC.交流电；DC.直流电。 图 2变频驱动装置拓扑结构示意图 3.1启停控制功能 作业时，操作箱先对外向变频装置输出启动信号， 变频装置接收相关信号后对刮板运输机运行准备状况进 行检测，一旦确定准备就绪，则变频装置立即启动[5-6]。 而在正常运行过程中，操作箱发出停止信号后，变频 装置接收相关信号并控制不再输出信号。当遇到紧急 情况时，可操作人员还可直接按下变频装置上的急停 按钮，让变频装置立即停止作业，并将相关故障信息 显示在人机交互界面。图 3 即为变频装置人机交互界 面示意图。 图 3变频装置人机交互界面示意图 3.2刮板运输机机头机尾功率动态平衡分析 作业时，功率的平衡可以确保刮板运输机两头端部 的多台电机伴随负载变化进行准确的功率分配，避免单 个电机过多或过少地承载功率。在具体操作过程中，变 频装置主机与从机间能够借助 CAN 总线完成主从通信， 使得变频装置可以实时读取电机输出转矩，并精准实现 转矩的对外输出，进而确保主从功率的有效平衡。 在实际运行时，运输机两侧端部的驱动所需达成 的职责存在差异，其中，头部驱动主要控制设备运转 速率，承担主要载荷；尾部驱动主要控制张紧底链，用 于大载荷运行时协同头部驱动对载荷进行拖动。 3.3链条保护分析 链条保护是指通过对链条张紧力的实时控制与监 测，从而获取链条张紧力数据，并接收系统运行指令 信号，从而实现对链条张紧力的精准调控。具体实现 过程如下a 在刮板运输机运行前，将链条预紧力张 紧到预设的规定范围内；b 在刮板运输机停机后对链 条张紧力进行调节，确保张紧力下降至规定范围。同 时，智能调节装置依照刮板运输机溜槽堆煤数量，自 动调整启动时间和机头机尾滞后时间，以确保链条拥 有良好的载荷保护功能。这种方式，一方面，可以对刮 板运输载荷进行限制，避免启动冲击过大对链条造成 损伤；另一方面，结合刮板链的松紧度、弯曲状态等参 数，规避机头机尾电机扭矩发生叠加，进一步提升链 条安全性。 3.4断链监测保护 变频控制系统拥有断链监测预警功能，能够及时 发现刮板运输机运行中发生的断链事故，并确定断链 的具体位置。在断链时，要立即闭锁停机，以确保运输 安全。 整流单元 DC回路 逆变单元 输出滤波 单元 异步 电动机 M 移动变电站 M 176 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 176 页） 4结语 刮板运输机作为井下生产运输中的关键环节，确 保其运行的有效性对于提升矿井生产综合效益意义重 大。矿井管理者应当结合生产实际，积极引入变频控 制技术等先进技术，进一步优化刮板运输机运行质量， 从而实现对矿井生产综合效益的显著提升，为生产更 加高质高效提供坚实保障。 参考文献 ［1］ 王波， 刘邹县， 刘小哲， 等.刮板输送机智能变频调速控制系统 研究与应用 ［J］ .煤矿机械， 2019， 4012 140-143. ［2］ 杨林彪.变频技术在大唐塔山矿刮板输送机上的应用研究 ［J］ . 山东煤炭科技， 201911 162-163. ［3］ 罗永刚， 伏瑞林.基于变频技术的煤矿智能刮板输送机控制系 统 ［J］ .煤矿机电， 2019， 405 18-22. ［4］ 叶韶宇.变频调速刮板机在浮选精煤配掺中的应用 ［J］ .中小 企业管理与科技上旬刊， 201910 181-182. ［5］ 雷惠.变频节能技术在井下采煤系统中的应用 ［J］ .资源节约 与环保， 20199 39-40. ［6］ 崔阳锋.煤矿刮板输送机永磁电机的变频控制系统设计 ［J］ . 机电工程技术， 2019， 488 202-204. （ 责任编辑白洁 ） 述方法一致。 3.2皮带过负荷检测 如图 1 所示，皮带正常运行时，电机输出的扭矩 是一个稳定值，保持运输机的稳定旋转。但是，当皮 带过载时，转矩就会呈线性增加。当转矩增加至正常 运行转矩的 30，即达到原来正常转矩的 1.3 倍时，报 警器指示灯亮起并鸣笛，提示存在故障。如果此时不 及时维修，转矩进一步增大。当转矩达到正常转矩的 1.5 倍时，报警系统发出紧急信号并启动紧急制动，关 闭皮带运转系统。 图 1皮带过载时电机输出转矩变化曲线 较为常见的皮带过负荷检测有以下 4 种a 漏料 检测器。漏斗检测是一种重要的检测方式，其原理如 同托盘天平。在皮带运输过程中，如果出现故障引起 物料损失，则支点就会因质量的减少而发生移动，从 而阻止皮带运行。b 棒形检测器。棒形检测器形如一 根铁棍，其置于皮带与缓冲辊之间。当皮带运输机托 运的物料中有形状较怪异 （比如尖锐物） 的物体时， 则此尖锐物在运行过程中会触碰到棒状检测器，使得 检测器发出警报。c 弦线式检测器。弦线式检测器采 用金属丝和尼龙丝来完成检测。该检测器的工作原理 与棒状检测器相同，但是准确度要高于棒状检测器。 d 压力检测器。这种检测器比前面提到的检测器更为 先进，通过分析托辊的受力来判断皮带的损坏程度。 3.3皮带打滑检测 皮带打滑时的电机输出转矩如图 2 所示，其中，T 为转矩，t 为时间。皮带运输机正常运转时的转矩值是 一常数，一旦出现打滑现象，转矩值就会降低，当转 矩值达到正常运行状态下的 50时，报警器鸣起提示 故障，应及时维修。如果维修不及时，转矩降低至正 常运行状态下的 30时，系统就会启动紧急制动，停 止皮带运输机工作。 在检查皮带打滑的情况时，将测速器与主动辊线 连接起来测出其运转速度，然后对比皮带运转速度， 如果二者不一致，则应对其进行维修。 图 2皮带打滑时电机输出转矩变化曲线 3.4皮带跑偏检测 在实际工作中，使用皮带跑偏仪器来检测皮带的 跑偏程度，根据跑偏程度的不同，对皮带跑偏进行分 级，不同级别的跑偏，检测器的预报程度也不同。但 是，当皮带跑偏被检测器检测到后，在发出警报的同 时会紧急制动皮带运输机。 4结语 皮带运输机可以实现连续化长距离的运输，是应 用较为广泛的运输设备。皮带运输机在煤矿生产过程 中发挥着重要作用，保证该运输设备的安全运行意义 重大。皮带运输机在运行过程中会出现不同的故障， 这些故障均可导致皮带运输机暂停运输，从而影响生 产，有的甚至损坏皮带。因此，在皮带运输机正常运行 的过程中，应及时检测，及时发现问题，及时排查故 障，避免不必要的问题发生，保证高效率生产。针对皮 带运输机常见的故障进行了介绍，并对皮带运输机故 障检测方式进行了详细阐述，以期为类似问题的解决 提供参考。 参考文献 ［1］ 薛培军， 刘冬敏.大型煤矿自动检测物联网系统的设计与改 进 ［J］ .中州大学学报， 2018， 352 107-111. ［2］ 马赟.霍尔辛赫煤矿井下环境对皮带运输机故障的影响 ［J］ . 煤炭与化工， 2017， 406 101-103. ［3］ 胡香玲.基于单片机和 CPLD 的转矩转速测量系统的研究 ［J］ . 自动化与仪器仪表， 20114 28-30. （ 责任编辑白洁 ） 时间 正常输出转矩值 T/N m 正常输出转矩值 50 30 时间 t/s O O 190