矿用刮板输送机变频控制系统设计与实践应用分析

刘 栋

（山西高平科兴前和煤业有限公司，山西 高平 048400）

引言

目前，随着我国科学技术水平的不断提升，煤矿领域相关技术也得到了快速发展，煤矿工作面的自动化和智能化水平有了明显的改善和提升[1]。刮板输送机作为煤矿工作面中非常重要的输送装备，其智能化水平同样得到了较大提升，并且正朝着更高可靠性、更高运输效率方向发展[2-3]。刮板输送机传统的控制模式工作时存在一定缺陷，其中最明显的问题是启动过程会对设备造成冲击，运行过程中多电机之间无法保持功率平衡，导致设备的故障率居高不下[4-6]。针对以上问题以刮板输送机为研究对象，设计了一种变频控制系统并展开应用分析。

1 SGZ1000/3×855 型刮板输送机概述

以SGZ1000/3×855 型刮板输送机为对象开展研究，如图1 所示为该型号刮板输送机整体结构示意图。由图可知，刮板输送机主要由圆环链、刮板、中部槽、链轮、联轴器、减速器、液力耦合器和电动机等部分构成。电动机提供动力，其输出的动力经过液力耦合器和减速器后传输到链轮中，链轮驱动链条运动，进而带动刮板作循环往复运动，位于中部槽上方的煤矿物料得以运输。需要说明的是，SGZ1000/3×855 型刮板输送机共有三部电机，其中两部位于机头部位，一部位于机尾部位，三部电机同时输出动力，每部电机的功率为855 kW。

图1 挂板输送机整体结构示意图

刮板输送机在工作时存在的问题主要表现在两个方面：第一，设备在启动时由于采用的是硬启动模式，所以启动过程加速度非常快，对设备造成了明显的冲击；第二，由于设备采用三部高功率电机同时进行驱动，所以三步电机之间的功率平衡问题难以保障。以上问题的存在导致刮板输送机工作时经常出现故障问题，严重影响采煤的连续性，对采煤效率的提升构成了严重制约。

2 变频控制系统整体方案设计

2.1 整体方案

通过变频驱动的方式对刮板输送机的启动过程，包括重载启动和空载启动，以及正常运行过程进行控制，如图2 所示为设计的刮板输送机变频控制系统的整体方案框图。

图2 变频控制系统的整体方案框图

在本系统中，将机头部位的两部电机等效成为一部电机。机头和机尾部位的电机分别通过一台变频器进行速度控制，所有变频器均与PLC 控制器进行连接并接受PLC 控制器的控制。利用电流传感器对三部电机运行过程中的电流值进行检测，并将检测结果实时传输到PLC 控制器中进行分析与处理，PLC 控制器根据电流值对电机的运行速度进行调整。基于先进的变频调控技术可以对电机的运行速度进行控制，进而实现电机运行电流的控制以及不同电机之间功率平衡问题的控制。

2.2 工作原理

基于变频调控技术可以实现刮板输送机的软启动。启动过程中电机速度严格按照系统内置的加速度进行启动。通过这种方式可有效缓解启动过程对设备造成的冲击，尤其是重载启动时造成的冲击。

对于三部电机之间的功率平衡问题，实践经验表明，电机的电流值与其负载大小存在紧密联系，所以通过检测电流值即可判断电机之间是否实现了功率平衡。如果检测发现机头和机尾部位电机电流相等，认为电机实现了功率平衡；如果机头电机电流小于机尾电机电流，通过PLC 控制器可以提升机头电机转速，实现功率平衡；相反的，如果机头电机电流大于机尾电机电流，则通过PLC 控制器提升机尾部位电机电流值，实现电机之间的功率平衡。

3 变频控制系统的硬件和软件设计

3.1 主要硬件的选型

以下主要对PLC 控制器和传感器进行介绍。PLC 控制器是控制系统中的核心部分，其性能好坏会对控制系统运行的可靠性和稳定性产生决定性的影响。结合实际情况选用的控制器型号为DX-MA01，该控制器属于高度集成控制器，整体体积相对较小，但是具有丰富的输入和输出接口，可以与多种其他硬件设施进行连接，控制器可以直接和开关阀、比例阀、等进行连接并对其进行控制。CPU是PLC 控制器中的关键构成部分，CPU 型号为TC1796 型，为32 位，具有优良的性能。内存和闪存大小分别为4 MB 和80 kB，完全能够满足控制系统的实际运行需要。另外，控制器具有丰富的拓展接口，可以根据实际需要进行拓展，以丰富控制系统的实际功能。PLC 控制器基于PID 控制原理实现变频控制基本过程，如图3 所示为PID 控制基本原理图。

图3 PLC 控制器的PID 控制基本原理图

图中的传感器为电流传感器，作用是对三部电机运行过程中的电流值进行实时检测，并传输到PLC 控制器中进行处理。传感器具体的型号为CSNR16I，该型号传感器具有良好的防爆功能，完全能够适应矿井粉尘多、潮湿等恶劣的环境。正常工作时的电压值为DC 24V，电流值为200 mA。

3.2 主要软件程序介绍

如图4 所示为刮板输送机多电机之间功率平衡的控制流程图，其控制流程可以概述如下：刮板输送机启动工作后，控制系统立即启动，并利用传感器对机头和机尾部位电动机的电流值进行识别，将识别结果传输到PLC 控制系统进行比较。比较时机头电机在前、机尾电机在后，可以计算两者之间的电流差值Δi。如果两者之间的电流差值Δi=0，说明机头和机尾部位电机的功率已经保持平衡，无须进行调速处理；如果比较后发现机头部位电机电流比机尾部位电电流要大，即Δi＞0，则需要通过PLC 控制器下达控制指令，降低机头部位电机的转动速度，直到电流差值为0 为止；如果比较后发现机头部位电机电流比机尾部位电电流要小，即Δi＜0，则需要通过PLC 控制器下达控制指令，降低机尾部位电机的转动速度，直到电流差值为0 为止。

图4 多电机之间功率平衡控制流程图

4 实践应用效果分析

将以上所述的变频控制系统应用到SGZ1000/3×855 型刮板输送机中，并对其运行效果进行了连续三个月时间的现场测试。结果发现，在整个测试期间变频控制系统整体运行比较稳定，各项功能都能够实现。控制系统的成功实践应用，为煤矿企业创造的效益主要表现在以下几个方面：第一，该系统的应用实现了刮板输送机的自动化运行，使煤矿工作面的智能化建设更进一步，提升了煤矿企业的市场竞争力；第二，控制系统的应用提升了设备运行过程的稳定性和可靠性，设备故障率有了明显的降低，为煤矿企业节省了大量的设备维护和保养成本，经过初步统计分析认为每年可以为煤矿企业节省的维护保养成本在30 万元左右；第三，故障率的降低提升了刮板输送机的开机时间，为开采率的提升奠定了坚实的基础，同样可以为煤矿企业创造很大的经济效益。