小保当一号煤矿主斜井带式输送机智能调速电控系统设计

2021-06-21王惠臣

煤炭工程 2021年6期

王惠臣

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

主斜井带式输送机是煤矿生产的关键设备，其配套电控系统设计的合理与否，直接影响整个煤矿的生产能力。小保当一号煤矿是年生产能力为15Mt的特大型现代化煤矿，主斜井带式输送机自投运以来状况良好，配套的电控设备运行稳定，完全能够满足生产能力要求。本文以小保当一号煤矿主斜井带式输送机电控系统设计为例，详细介绍基于智能调速的电控系统其构成及各子系统的功能特点，并对设计中遇到的问题进行归纳总结。

1 电控系统构成

小保当一号煤矿主斜井带式输送机电控系统主要包括高低压配电系统、带式输送机PLC监控系统、变频调速系统、带式输送机煤流量监控系统、带式输送机保护系统及带式输送机矿用值守机器人等子系统[1，2]。主斜井带式输送机主要参数：运量为5800t/h，运输长度约为1730m，倾角为0～12°，带速为5.6m/s，带宽为2000mm，主电机功率为4×2800kW/6kV，制动方式：液压盘式制动，张紧方式为尾部液压自动张紧。

主斜井井口房10/0.4kV变电所为四层结构建筑，分别布置主斜井带式输送机、井下西翼大巷带式输送机(3×1600kW/6kV)及上仓带式输送机(3×800kW/10kV)等三条带式输送机的电控设备。主斜井带式输送机电控设备结构如图1所示。

图1 主斜井带式输送机电控设备结构图

小保当一号井主煤流运输智能调速系统根据实时采集的煤流量，采用远程调节接口和变频器控制技术进行智能调速[3]。井下工作巷带式输送机(3×800kW+3×800kW，3300V)、井下西翼大巷带式输送机、主斜井带式输送机及主斜井至原煤仓带式输送机均设置矿用隔爆型PLC控制箱及煤流量检测仪，煤流量检测仪采集的信号通过分区PLC控制箱就近接入光纤环网[4]。煤矿主煤流运输智能调速系统结构如图2所示。

图2 煤矿主煤流运输智能调速系统结构图

主煤流运输系统的区域PLC控制箱设置在主斜井井口房带式输送机控制室，根据运算结果向分区PLC控制箱输出带式输送机速度控制信号，分区PLC控制箱和现场带式输送机控制系统连接，实现各条带式输送机变频器对电机的智能调速。前级带式输送机煤流数据作为后级带式输送机机速度调节依据，最大程度地降低带式输送机运输机的空载和轻载运行率，从而显著降低能耗，延长使用寿命。

2 电控系统各子系统功能

2.1 高低压配电系统

主斜井带式输送机高压配电系统设置15台KYN28-12型高压开关柜，该开关柜选用VD4弹操真空断路器、数字仪表、微机综合保护器具有RS485接口或以太网接口，具有“五防”功能、各种电气保护和闭锁装置齐全[5]。

变频器主回路断路器的分闸命令必须从变频器直接发出，不得通过带式输送机PLC监控系统发出。断路器处于工作位时，变频器拥有闭合断路器的唯一控制权。不得使用断路器的本地/远程开关进行分合闸操作。断路器除分闸线圈外，还需配置欠压脱扣线圈。当带式输送机需要紧急停车或者变频器检测到故障时，变频器除输出分闸节点外，还需输出动作于欠压脱扣线圈的故障跳闸节点。即使直流屏故障导致控制母线欠压时，主回路断路器仍可以通过欠压脱扣线圈可靠跳闸，满足变频器保护要求。主回路断路器(MCB)的合分闸回路如图3所示。

图3 主回路断路器的合分闸回路图

低压配电系统为TN-S系统，设置1套低压电源柜，进线采用双电源自动切换装置，用于给主斜井带式输送机、上仓带式输送机成套设备及井口房辅助设施(包括冷却风机、液压站、照明及空调等负荷)提供380V交流电源。

2.2 带式输送机PLC监控系统

主斜井带式输送机PLC监控系统的功能要求如下：

1)控制方式：不仅能实现对本条带式输送机的起动、停机、监测、保护等功能，还能实现对煤矿主煤流运输系统的集中远程控制及显示运行状态等功能[6]；另外通过光纤与地面调度监控中心带式输送机分控台通讯，也能实现地面调度监控中心对主斜井运输系统的集中远程控制及显示运行状态等功能。

2)控制带式输送机起动运行：首先自动发起动预告，然后控制松闸、张紧带式输送机，待松闸、张紧均返回OK信号后，通过变频器实现软起动(要求按0.1～0.3m/s2加速度控制软起动)，并且同时监测各信号(急停闭锁、堆煤、烟雾、打滑、二级跑偏、张紧、制动等)是否正常，若其中任一信号出现故障，均应能实现紧急停车。

3)控制带式输送机正常停车：先自动停带式输送机前的煤流(顺煤流停车)，延时一段时间待胶带上的煤拉完后，控制变频器实现软停车(要求按0.1～0.3m/s2减速度控制软停车)，待带式输送机速度降至0.5m/s时(可程序设定，可调)，控制抱闸。

4)急停带式输送机：当带式输送机出现紧急停车故障时，如急停闭锁、堆煤、烟雾、二级跑偏、纵撕、制动故障、张紧故障等，停主电机，待带式输送机速度降至0.5m/s时(可程序设定，可调)，控制抱闸，实现紧急停车。

5)验带：可选择验带运行，在验带工作方式下，变频器可控制带式输送机低速运行。

6)对主控系统、张紧系统和制动系统的要求：主控系统和制动系统实现电气闭锁。保证起动及正常运行时制动闸必须松开；带速为零时，制动器必须抱死；制动器断电及故障时，主控应按急停处理。主控系统和张紧系统实现电气闭锁。保证起动及正常运行时张紧必须到位；张紧装置断电及故障时，主控应按急停处理。

2.3 变频调速系统技术

市场上有以下几种带式输送机常用的变频装置[7]：①北京合康、西门子罗宾康等公司生产的低压级联结构变频器，采用IGBT绝缘栅双极型晶体管，功耗较低，单管耐压为1700V，单向导通；②ABB公司生产的ACS 5000型变频器，为直接高-高、交-直-交电压型，输出电压6kV，采用IGCT集成门极换流晶闸管，功耗低，单管耐压为5500V，单向导通；③Rockwell公司生产的Power Flex7000系列变频器，为直接高-高、交-直-交电流型，采用SGCT 集成门极换流晶闸管，功耗很低，单管耐压为6500V，双向导通，四象限运行。变频器功率半导体器件技术参数见表1。

表1 变频器功率半导体器件技术参数表

技术性能比较如下[8]：6kV低压元件级联结构变频器每相有五个IGBT功率器件同时导通，而ACS 5000型变频装置每相仅有两个IGCT功率器件同时导通，相比较来说ACS 5000型变频装置整体功率元件少、故障率低，可靠性更高。Power Flex7000系列变频器每个桥臂采用三个SGCT串联，虽然结构简单、可靠性高，但不适用于两象限运行、无能量反馈的主斜井上运带式输送机类负载，另外价格偏高、后期维护也不方便。主斜井带式输送机最终选用四台ACS 5000型变频装置。

考虑到设备可能出现过负荷的情况，并且要求电机最大转矩/额定转矩大于2，所以ACS5000变频器的额定输出电流必须大于所带电机的额定电流，并需具备180%额定输出电流1min、每隔10min可重复一次的过载能力，以满足因系统原因停止后带式输送机满煤时的再起动要求。另外变频器的配套变压器应具备在连续额定容量基础上具备120%的过载能力。

2.4 带式输送机煤流量监控系统

2.4.1 技术要求

1)该系统基于系统实际的运行工作点，可以实现整个井下运输系统的协同优化运行。

2)依据煤流检测：计算和确定带式输送机运输机的运行工作点，并通过驱动系统实现基于工作点的运行调节；计算和确定带式输送机运输机煤流量分布，通过控制系统实现带式输送机的顺煤流启动[9]。

3)依据给定工作点，并根据上游刮板机输出量以及带式输送机运输机煤量状态，优化带式输送机运输机的运行状态，包括最优化的起、停级联时间；优化的运行协同调速；使带式输送机运输机的空载、轻载运行率最小化。

4)提供带式输送机运输机系统自诊断和数据分析功能。

5)提供对上一级生产集控/数字化矿山系统的远程数据/控制信息枢纽。

6)可以实现以下模式：运行过程中智能调速模式，综采工作面投入使用时，根据来煤量选择50%带速模式、75%带速模式或100%带速模式。低速运行模式，当综采工作面检修时，一键起停主运输系统，系统内各胶带均按30%带速运行。

2.4.2 启动方式选择

依据煤流检测，计算和确定胶带运输机煤流量分布，自动判断系统为顺煤流启动还是逆煤流启动，当符合条件时，实现胶带的顺煤流启动[10]。在胶带煤流量监控不参与控制情况下，胶带系统逆煤流启动。无论顺煤流启动和逆煤流启动，系统均应实现一键启动。具有逆煤流开、顺煤流停的煤流方向相互闭锁功能。煤矿主煤流运输整体控制逻辑如图4所示[11]。

图4 煤矿主煤流运输整体控制逻辑框图

系统实时记录各条带式输送机的煤量分布。如果各带式输送机为空载，软件判断此时可以进行顺煤流方向起车，按工作巷带式输送机→西翼大巷带式输送机→主斜井带式输送机→上仓带式输送机→上仓刮板的顺序起动。当主斜井带式输送机，上仓带式输送机空载，且工作巷带式输送机机尾有一定煤量时，此时首先起动工作巷带式输送机，然后根据上次停车时记录的煤流位置判断煤流到达工作巷机头的时间t。当时间小于设定值t时，按照主斜井带式输送机→上仓带式输送机→上仓刮板的顺序起动，以达到顺煤流起动的目的。一键顺煤流起动逻辑，是指一键顺煤流自动起动所有设备的操作，此操作可以自动从工作巷带式输送机向井口方向起动至上仓刮板机，前提条件是所有设备为全空状态。

对于异常情况下的起车保护逻辑如下：

1)查询所有保护信息有无问题，再根据历史数据判断上次是否为正常停车，再进行起车操作[12]。

2)工作巷带式输送机要优先刮板机起动，避免刮板机非空造成的堆煤。

3)工作巷带式输送机起动过程中，主斜井带式输送机变频器开始做起动前期准备，油泵、风扇等提前进行起动。这之间的延后时间需要根据实际参数和经验进行设定，通过预判刮板机和工作巷带式输送机的情况，提前对主斜井带式输送机进行起动，防止因时间不够造成不能起动。

4)主斜井带式输送机起动后，根据曲线进行低速运行。检测到工作巷上出现煤流后，根据煤流到达的时间和调速相应时间来决定主斜井带式输送机的加速时机。

5)主斜井带式输送机起动时，上仓带式输送机也进行起动前准备，当判断煤流经过警戒位时将上仓带式输送机起动。

2.5 带式输送机保护系统

在带式输送机机头处放置一台KTC101-Z型主控制器和KDW101型电源箱，KTC101-Z主控制器控制主斜井、带式输送机的开/停及状态显示，并完成带式输送机启动前的语言报警和和主斜井带式输送机机头传感器(速度、烟雾、温度、跑偏、堆煤、超温洒水装置)[13-15]的检测，KDW101本安电源用于系统和沿线的供电。

2.6 矿用值守机器人系统

矿用值守机器人系统主要由图像采集系统、高频补光照明系统、防爆控制主机、防爆计算机组成。整个系统安装于落煤点带式输送机面正上方约1m高度，采集快速运转的带式输送机图像。图像信息一部分传输到防爆控制主机，通过用于图像实时分析，识别大块矸石、锚杆等大块物料和长杆利器；一部分图像信息与图像识别结果实时上传到远程控制的防爆计算机或地面控制中心，显示、存储现场设备运行状态。发现异常，机器人及时报警，结合从带式输送机控制系统获取的带式输送机机速度，记录异物位置，也可联动带式输送机控制系统控制带式输送机机停止运行。煤矿带式输送机智能分析图像如图5所示。