主斜井带式输送机自动控制装置的研究与应用

李 霞

（太原正越工程设计有限公司， 山西 太原 030001）

引言

带式输送机为煤矿运输的主要设备，该设备在设计、生产制造时为保证运行的可靠性和运载能力，所匹配的机械部件和电气装置在最大运量的基础上乘以一定的备用系数。当带式输送机的运量较大时，对应的运输效率高；当带式输送机运量较小时，对应的运输效率偏低。实践表明，带式输送机处于低效模式下运行，电能浪费现象较为严重[1]。因此，实现带式输送机运量和运速的相互匹配，对于带式输送机的节能运行具有重要意义。为此，本文将设计一款可应用于带式输送机的自动控制装置，并对其应用效果进行评估验证。

1 带式输送机功率跟踪平衡策略

随着工作面带式输送机功率和运量的增加，采用单电机的驱动方式往往会造成电流过大、冲击过大的问题，导致对带式输送机机械部件和电机造成损伤。为此，目前多数带式输送机以电机驱动为主。对于多电机驱动带式输送机而言，由于加工精度、制造与安装误差以及电机特性的差异等问题常导致各个电机之间存在功率不平衡的问题[2]。为保证将来所设计的自动控制装置可发挥其节能、安全运行的效果，首先需重点解决多电机驱动带式输送机的功率不平衡问题。本文所研究带式输送机的具体参数如表1 所示。

表1 带式输送机关键参数

从理论上，影响多电机带式输送机功率及其各电机功率配比的主要因素为输送带运行速度和运量。传统采用扭矩控制和电流控制法实现多电机驱动带式输送机功率平衡的控制，采取上述两种方式存在调节速度慢、超调量大以及稳定性低的问题，影响带式输送机的安全稳定运行。

变频启动为带式输送机主流的软启动方式，其对应的电机功率平衡控制策略为主-从协调的矢量控制方式。多电机驱动的带式输送机包括有主变频器和从变频器；其中，主变频器主要是对带式输送机的运行速度进行控制；从变频器基于主-从跟随策略实现给从电机与主电机功率平衡的控制。带式输送机变频器主-从控制系统结构如图1 所示。

图1 变频器主-从控制系统结构框图

2 带式输送机自动控制装置的研究

目前，工作面带式输送机控制系统的设备层主要包括有高压变频器、胶带张紧装置、综合保护系统、输送带在线监测装置、带式输送机制动装置、高低压配电系统以及振动监测仪组成。所配置各个系统的型号如下页表2 所示。

表2 带式输送机控制系统设备层

在上述现场设备层的整体作用下，需要专用的自动控制装置实现对带式输送机的自动化、高可靠性的控制。本节重点对带式输送机自动控制装置的硬件和软件进行设计。

2.1 自动控制装置的硬件设计

自动控制装置为实现带式输送机自动控制的核心，其是实现带式输送机运输系统控制的中间纽带，该装置的控制核心为PLC 控制器。结合各类PLC 控制器的性能及其应用场所的恶劣性，本装置选用S7-300 系列PLC 控制器。带式输送机自动控制系统的硬件组成如图2 所示。

图2 带式输送机自动控制装置的硬件框图

如图2 所示，自动控制装置由集中控制柜中的PLC 控制器和各类设备组成，不同设备对应的连接方式不同。其中，集中控制柜与带式输送机综合保护系统采用通讯与干接点相结合方式进行连接；与变频控制装置采用通讯/接点/模拟量的方式进行连接；与设备盘式制动装置采用接点/模拟量的方式实现连接；与自动张紧装置采用接点/模拟量的方式实现连接[3]。

2.2 自动控制装置的软件设计

基于自动控制装置的硬件组成和现场的各类设备，在软件的作用下实现对带式输送机故障、张紧、制动、启动以及速度调节的控制。本节重点对带式输送机自动控制装置的启动和功率平衡的程序流程进行设计。

2.2.1 带式输送机启动程序控制

带式输送机启动前需对整个系统的综合保护装置、变频器、制动装置以及张紧装置的运行状态进行判断，在满足启动要求的基础上按照预定启动曲线进行启动，并根据输送带的实时速度和预定速度的差值对变频器的频率进行控制，最终带式输送机达到预定速度，完成启动[4]。

2.2.2 带式输送机功率平衡控制

带式输送机在运行期间，对各个变频器的输出电流进行监测，对其主从变频器的功率值，根据设备的实时运量得出变频器的最佳运行功率，完成对带式输送机电机的功率平衡控制。

3 带式输送机自动控制装置的应用

为验证本文所设计自动控制装置在带式输送机的应用效果，主要对带式输送机的节能效果进行对比[5]。分别对带式输送机采用传统控制方式（带速与运量不相匹配）和采用自动控制装置的节能效果进行对比，而且对不同运量对应的节能性进行对比。对比结果如表3 所示。

表3 带式输送机自动控制装置应用节能效果

如表3 所示，采用传统控制方式在不同运量下带式输送机均以4 m/s 的速度运行，而采用自动控制装置可根据运量不同对带速进行调整。同时，以运量为1 200 t/h 为例，采用传统控制方式对应的能耗为4.76×106kW·h，采用自动控制对应的能耗为4.20×106kW·h，节能效率可达11%。

4 结语

带式输送机作为煤矿的主要运输设备，随着工作面运量和生产能力的增加，传统单电机驱动带式输送机已经不能够满足要求。目前，多电机带式输送机的应用主要以功率不平衡和电能浪费的问题为主，究其原因在于传统控制方式不能根据运量不同对运速进行匹配性控制。为此，本文在综合保护装置、变频装置、制动装置和张紧装置等分系统的基础上设计自动控制装置的软件和硬件，在满足带式输送机运行基础功能的基础上，实现带速与运量匹配性控制。实践表明，采用自动控制装置的控制方式较传统控制方式可节能11%。