带式运输机电控系统设计开发*

王素玲

(山西省节能中心有限公司，山西 太原 030045)

0 引 言

煤矿带式运输机是必不可少的煤炭运输设备，扮演着非常重要的角色，具有长距离、大功率、运输能力强、能耗低的特点[1]。传统煤矿运输机采用液力耦合器配合行星减速机进行工作，存在启动瞬时电流大、皮带加载时间短、张力变化过快等缺陷，而且多电机方式进行驱动，虽增加了运输距离，但常因多电机功率不平衡导致皮带张力突变或是运输速度不稳定，降低了皮带寿命[2]；原有的电控系统监测能力不足，无法实现故障精准定位，设备联控能力差，无形中增加了现场管理难度[3]。

笔者提出以PLC控制技术为基础，借助变频自动调速技术、传感检测技术、网络通信技术为基础的一套新型的带式运输机电控系统设计方案。通过变频调速系统的作用，不仅实现了运输机的软启动，而且系统可通过运输机实时工况自动调整电机的转速、皮带的张力大小，显著提高了皮带的寿命。

1 系统整体方案设计

电控系统由远程上位机、PLC控制器、声光报警装置、变频调速单元、传感检测装置等组成。系统框图如图1所示。远程上位机与PLC控制器之间通过工业以太网进行数据双向传输。

图1 系统总体框图

其中，远程上位机负责监控现场设备的运行状态，包括变频调速系统运行参数、运输机的运输重量、运输机的电机电流、温度、转速及转矩等，以曲线形式进行显示，同时具备数据分析、存储、故障报警、远程调速控制等功能；PLC控制器是系统核心设备，负责运输机工况参数的实时处理，包括各种数字量、模拟量，并根据实际运行情况作出动作判断，在PLC中内置了现场设备联动控制策略、故障精准定位策略、运输机变频调速策略、软启动策略；声光报警装置用于工况数据超限报警及故障报警，系统传感检测装置负责对带式运输机进行全生命周期的动态监测，并上传给PLC控制器；变频调速系统通过接收PLC的控制指令，改变自身工作频率和电压来自动调节运输机电机转速，完成对运输机的变频调速。

2 硬件方案设计与选型

2.1 PLC主控制器选型

根据矿井的实际工作环境需要以及带式运输机电控系统的要求，文中采用西门子的S7-300系列PLC控制器作为核心处理器，同时配置模拟量、数字量模块、通信模块、电源模块等完成控制。

系统涉及电机温度、转速、转矩、电流等多个模拟量及设备启停信号等数字量，根据输入输出点数，扩展了SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块，用于对运输机各类启停信号、开关信号进行显示计量，同时发布控制信号；SM331模拟量输入模块，用于连接电流传感器、温度传感器等各类模拟量传感器，将数据转换处理为PLC可接受的信息。

2.2 传感器检测模块设计与选型

电控系统需要采集的参数包括电机温度、转矩、转速、运输机的电参数以及皮带机实时运输煤量。

温度传感器采用了铂电阻PT100传感器，用于检测电机绕组和轴承的实时温度，当温度超限时，电机电源将会切断；运输机电参数的测量采用了电参数采集模块EDA9033A，可对运输机的电压、电流、功率等参数进行采集，该模块同时兼顾 RS232和RS485通讯接口。电子皮带秤采用ICS-ST型防爆皮带秤，用于检测运输机运送煤炭的速度和重量。

整个电控系统采用了多数量多类型传感器，同一类型的多个传感器采用数字排序标记的方式安装在运输机的不同部位，并设置好相应的检测程序，这样便可对运输机进行故障的精准定位，上位机上可显示对应位置的参数信息，超限预警。

2.3 变频调速单元设计

变频调速单元是运输机实现平滑稳定控制的重要执行部分，需要借助电机转速、转矩，皮带运输煤量等参数，来进行对电机转速的自动调控。

电控系统通过交直交变频器来进行工作。根据电机的工作原理，电机的转速与电源的输入频率、输入电压是正比关系，实现电机转速的自动调整，通过改变电源的输入频率和电压即可：

(1)

式中：n为转速；f为电源的输入频率；s为电机转差率；p为电机的极对数。

交直交变频器具备较宽的调节范围，启动电机时加速度可控制在0～0.05 m/s2之间，通过软起动方式可实现运输机“S”曲线启动，避免启动电流大造成的冲击问题。

系统变频器选用了INVT-CHV190系列变频器，具体型号为CHV190-200G-6，该变频器为矢量控制型变频器，系统对于一套运输机配置两台变频器，同时具备主从控制功能，两台变频器的功率完全相同，主机采用速度模式，从机采用转矩模式。

3 系统软件方案设计

软件程序根据S7-300PLC控制器，采用STEP7软件对其进行程序开发，可将PLC的功能尽可能利用起来，线上线下都可进行程序编程。

针对运输机电控系统，采用模块化程序的设计理念，将系统程序统一划分为主程序和各功能子程序，当进行某一功能运行时，由主程序统一调用子程序来完成。运输机控制包括两种模式，自动和手动方式。自动模式下可根据电机转速、转矩、煤量多少等参数自动调节皮带的运行速度。其中，子程序包括运输机软启动子程序、自动变频调速子程序、功率平衡控制子程序、运输机启停子程序、紧急制动子程序，同时还有声光报警子程序、传感数据检测子程序、功能保护子程序等。图2所示为运输机启动的程序框图。电机启动以软启动曲线的方式进行。

图2 运输机启动流程框图

4 系统实际应用效果

中煤平朔井工三矿自2019年投入该电控系统以来，经过近两年的运行监测，运输机电控系统运行稳定正常。通过传感器数字排序方式检测，远程控制室可有效、精准地判定故障发生的位置以及故障原因，提高了管理效率。通过引入变频调速系统，改变了电机启动方式，实现了平滑启动，提高了皮带机的寿命；电控系统自运行以来，运行效率和经济效益显著提升，经估算，系统投入以来平均每年节省的人工成本、设备维修费用、材料费用共计约 50万元，系统投资改造成本小，非常值得推广。

5 结 语

传统运输机控制系统已无法满足目前煤矿运行和管理发展的需求，文中设计了一套运输机电控系统，可实现故障的精准定位和电机转速的自动变频调控，通过PLC控制器输出不同的模拟信号改变变频器的频率，便可改变带式输送机的带速，调整张力的大小；此外，“S”曲线式平滑启动避免了启动冲击电流对电机的损伤，显著提高了运输机运行的稳定性和效率，降低了煤矿的运营成本，具有一定的参考和推广应用价值。