带式输送机功率平衡控制流程的设计及现场试验

朱履贝

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

带式输送机为工作面的主要运输设备，由于其运输距离长、运量大以及运输能力大等优势被广泛应用。随着带式输送机运量的不断增大，运输距离的不断增长，传统单滚筒驱动能力已经不能够满足实际生产的需求，从而推动了输送带多电机驱动的发展。对于多电机驱动带式输送机而言，由于电机功率不平衡经常会导致电机过载损坏的故障发生。此外，带式输送机“大马拉小车”的问题也比较普遍，导致了电能的浪费[1]。因此，急需在解决多电机带式输送机的功率平衡和节能问题上进行研究。

1 多电机驱动输送机功率平衡控制策略研究

多电机驱动带式输送机电机的布置方式可分为头部驱动、尾部驱动以及头尾驱动等。其中，头部驱动和尾部驱动一般为双滚筒驱动；头尾驱动一般为三滚筒驱动。在实际应用中，一般优先考虑头尾部驱动，其次才为头部驱动或尾部驱动。而且，多电机驱动带式输送机驱动电机布置方式需综合考虑降低带强这一指标。在实际生产中，为减少工作面巷道的开拓量，并提高后期对巷道维护的便捷性，一般主要采用以头尾驱动方式为主的双滚筒带式输送机居多。本文将以双滚筒带式输送机为例展开研究。

经理论研究可知，影响双滚筒带式输送机功率平衡的因素可归类为静态因素和动态因素。其中，静态因素主要指的是带式输送机的驱动方式，而且从理论上分析双滚筒带式输送机的功率平衡；对于动态影像而言主要包括有所选型驱动电机的机械特性、滚筒直径的大小偏差以及输送带的刚性系数等[2]。

所谓双滚筒带式输送机的功率平衡指的是，控制系统能够实时根据负载对电机的转矩进行合理分配。鉴于带式输送机异步电动机属于多变量系统，为保证对异步电机控制的稳定性和平衡精度，故采用矢量控制方式，其对应的功率平衡控制策略如图1所示。

图1 双滚筒带式输送机功率平衡控制原理框图

如图1 所示，对双滚筒带式输送机中的两电机划分为主电机和从电机，两个电机之间的控制回路基于主从控制原理实现。其中，主电机所在主回路采用速度闭环控制原理，对带式输送机的整机速度进行控制；从电机所在从回路采用转矩闭环控制原理，根据主回路中电机的转矩对从回路中从电机的转矩进行重新调整分配，从而实现两电机的功率平衡。

2 多电机带式输送机功率平衡控制系统设计

为保证多电机输送机功率平衡控制系统对电机转矩分配的有效控制，其实现的基础为带式输送机的基本功能可有效运行[3]。故，本节将针对多电机带式输送机对其功率平衡实现的基础控制系统进行设计。

2.1 多电机带式输送机功率平衡控制系统的总体设计

要求所设计功率平衡控制系统能够实现对带式输送机控制系统的常规保护功能，并能够实现对带式输送机软启动以达到节能的效果。最重要的是，功率平衡控制系统可通过对油压进行控制从而实现各个电机之间功率的平衡调整。故，设计如下页图2 所示的总体原理框图。

2.2 关键元器件及控制软件设计

2.2.1 关键元器件的选型

如图2 所示控制箱中的核心控制器为PLC 控制器，结合当前工业中应用案例及综采工作面的条件，确定选用S7-300 系列PLC 为核心控制器。根据功率平衡控制任务，对S7-300PLC 中关键部件进行选型，包括CPU 型号为315-2DP、数字量输入模块为SM321、模拟量输入模块为SM331、数字量输出模块为SM322[4]。根据功率平衡控制系统常规保护功能和常规任务，需为其配置各种关键传感器，如表1 所示。

图2 功率平衡控制总体设计原理框图

表1 传感器选型及参数

2.2.2 功率平衡控制流程的设计

多电机带式输送机功率平衡功能实现的基础为设备能够正常、平稳启动，其主要判断依据为带式输送机主、从电机的电流值。对于单个功率平衡控制系统而言，其对应的控制流程如图3 所示。

在实际控制中，核心控制器中已根据带式输送机的额定运量对两个电机的功率进行合理分配。当在实际运输过程中，发现其中一个电机电流值增大，即其运输功率增大，此时，还需对输送带的实时运量进行监测，排除电机出现故障的情况[5]。若，电机处于正常运行状态则是由于运量增大而导致电机功率增大，为保证两电机仍然在原分配比例下运行，需增大另一电机的运输功率，从而实现双电机运行的功率平衡。

3 功率平衡控制系统的现场试验

图3 单个系统功率平衡控制流程图

本文所设计功率平衡控制流程主要是解决双电机驱动系统由于功率无法实施合理分配所导致的电机烧毁事故的发生和带式输送机耗能严重的问题。因此，将通过对功率平衡控制系统应用后电机出故障的次数和节能效果进行综合试验。

3.1 功率平衡问题的解决

经实践表明，功率平衡控制系统应用于实际生产之前，在一个月的时间内双滚筒带式输送机电机出现故障的次数为5 次；而采用功率平衡控制系统后，在试运行一个月的时间内电机未出现故障。

3.2 节能效果

本文所研究带式输送机输送带的长度为1.5 km，在满载状态下的运量为4 000 t/h，在非满载状态下的运量为2 000 t/h。工作面每年需运输煤炭总量为1 300 万t，根据实际运输可粗略估算，设备满载运行时长约占总运行时长的60%，对应电机功率为551 kW，非满载运行时长约占总运行时长的40%，在传统控制策略下对应电机功率为374 kW，采用功率平衡节能控制策略后对应电机功率为246 kW。满载运行时间为13 000 000 t÷4 000 t/h×60%=1 950 h，非满载运行时间为13 000 000 t÷2 000 t/h×40%=2 600 h。

结合以往生产实践，经统计每年的耗电量为：551 kW×1 950 h+374 kW×2 600 h=2 046 850 kWh。

当带式输送机采用功率平衡控制系统后，每年的耗电量为：551 kW×1 950 h+246 kW×2 600 h=1 760 850 kWh。按照每度电价为0.5 元/kWh，则，每年可节约14.3 万元。此外，电机故障次数的减少可直接降低维修费用。

4 结语

随着工作面生产能力的增加，为匹配运输能力需采用多电机驱动带式输送机。若解决不好多电机驱动带式输送机功率平衡问题容易导致电机烧毁。采用适量控制方式可实现双滚筒带式输送机电机的功率平衡控制，并实现其节能运行。