长距离大功率带式输送机的电控设计

2021-03-18陈淼

机械工程与自动化 2021年1期

陈淼

(山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西晋城 048000)

0 引言

带式输送机是矿山企业重要的运输设备，尤其是随着我国煤炭企业各类型生产技术革新与产能的提高，传统的带式输送机已不能够满足企业发展的要求。目前带式输送机的运量和功率越来越大，其电控系统急需采用更先进的控制技术来匹配。采用变频器驱动多电机驱动系统是目前长距离大功率带式输送机常用的技术方案。

1 带式输送机电气控制系统

1.1 电气控制系统结构

带式输送机电控系统的结构如图1所示，按功能可分为监控与报警、PLC、监测和变频器电路。监控与报警模块包括报警装置和位于主控室内的上位机；PLC实现电机软启动、刹车制动、无级调速、功率平衡和急停等核心功能；监测模块包括温度监测和转速监测，变频器模块具有多种控制方式，能够实现外部操作、手动操作和自动操作等。

图1 带式输送机电控系统结构图

1.2 电气控制系统功能

(1) 对牵引电机进行调速。通过变频器改变牵引电机输出电压的频率进行调速，可选择分级调速或无级调速。

(2) 综合保护功能。对输送机的机械类故障和电气类故障具有综合保护功能。电气类故障包括过电压与欠电压、过电流、缺相运行、各类型接地与短路等；机械类故障包括偏离既定路线、物料堆积、皮带打滑、运行速度过快和破损等。

2 电控系统硬件设计

2.1 PLC选型

系统选用西门子的S7-300PLC，采用CPU315-2PN/DP型中央处理器。S7-300型PLC可分为电源模块、处理器模块、信号模块、总线模块和电缆模块等，其本质安全电源和非本质安全电源均为24 V直流电。S7-300具备无源控制触点，用户可根据需求对其常开/常闭状态以及是否互锁进行选择：①在自动模式下，当接收到启动、停止或者切换等信号时，可以根据工艺流程按顺序自动启动、自动停止或者切换抽采泵和相应设备，实现故障时真空泵的自动切换；②在手动模式下，可以对各设备实施分步操作，但是各环节之间存在先后顺序的闭锁；③在检修模式下，可以对各设备实施分别操作，各环节之间将不存在先后顺序的闭锁。以上特点说明该型号PLC十分适合本系统的控制要求。

2.2 操纵台

操纵台是操作站的主要设备之一，位于电气控制室。一般的带式输送机操纵台有两个，分别分布在两个电气控制室，彼此享有同等的操作权限，即任何一个操纵台即可完成一个完整的操作。一般操纵台的作用是一方面实现各类型控制操作，另一方面监视其运行状态。操纵台由显示部分和操作部分构成，显示部分包括各电压电流等指针式仪表、故障或正常运行指示灯；操作部分包括各类型切换开关、按钮等。操纵台具有6种工作方式，具体说明如表1所示。

表1 操纵台工作方式

2.3 变频器

本电控系统选用ABB公司生产的ACS800-04系列变频器，该变频器采用直接转矩方式，其控制速度快且精度高。这种控制方式具有矢量控制不具备的优点，其定子坐标下的数学模型更容易使电机磁链和电机转矩得到有效控制。ACS800-04系列变频器主回路配置有6脉波整流器可将三相交流电压转换为直流电压，电容器组可稳定中间回路直流电压，6脉波IGBT逆变器可将直流电压转换为交流电压，进而控制电机运行。

此外，这款变频器还具有下列特点：①系统软硬件可维护程度高，具有专业的抗扰设计；②IGBT驱动技术先进，智能驱动技术使得IGBT和电容的使用寿命延长；③采用软充电技术、相间保护技术和快速制动技术等。

3 电控系统PLC程序设计

电控系统的PLC程序包括拒启报警子程序、软启动子程序、功率平衡子程序和各类综合保护子程序。综合保护子程序以开关量实现控制，除此以外的所有子程序均是由PLC通过控制程序输出频率信号实现控制。

3.1 拒启报警子程序

拒启报警子程序流程图如图2所示。收到启车指令后，PLC程序依次判断综合保护装置、制动闸、主变频器、从变频器的状态，如果出现非正常状态则发出拒启报警信号。判断主变频器和从变频器正常以后，启动相应主电机或从电机，电机启动后采集转矩和转速偏差数据，返回变频器状态判断循环。

图2 拒启报警子程序

3.2 软启动子程序

电动机的启动需要设计专门的启动程序，以免启动电流过大造成启动失败或烧毁电机。PLC中编制了启动S曲线，当系统收到启车指令后校验保护是否正常，保护校验完毕后制动闸送电打开，然后控制变频器的输出频率按照S曲线从零增加，电机启动完成后发出给煤机可启动和输出运行信号。软启动子程序如图3所示。

图3 带式输送机软启动子程序

3.3 保护子程序

带式输送机综合保护系统的保护分为两类：一类是独立保护，动作后PLC将发送停机指令，这类型的保护有纵撕保护、沿线急停保护、堆煤保护三种；还有一类保护不直接停机，而是多个保护信号综合判断动作与否，这类型的保护有温度保护、烟雾保护和自动喷水保护。如果各类型保护都没有触发，则系统按照预定启动顺序启动，若触发不同类型保护，则根据图4的逻辑关系依次执行相关动作。