基于变频调速控制的皮带运输机电气系统设计优化

王惠杰

（阳煤集团二矿机电工区主运队， 山西 阳泉 045000）

引言

在煤矿生产中，皮带运输机系统是井下煤炭运输中非常重要的一个环节，其优化可从两方面进行，一是机械结构的优化，二是电气系统的优化[1]，本文以井下皮带运输机为研究对象，主要讨论电气系统的优化方案。该优化方案包括变频调速、CAN通信、联动控制、智能故障检测四方面。

1 电气系统

煤矿井下用皮带运输机电气系统主要包括主控制器PLC、PLC扩展模块、隔离栅、传感器（如温度传感器、跑偏传感器、撕裂传感器、堆煤传感器、烟雾传感器等）、继电器、变压器、断路器、隔离开关、通讯模块、变频器以及电源模块等[2]。

主控制器PLC以及扩展模块是电气系统控制的核心，该控制器控制能够实现电机启停、获取系统数字输入变量、模拟输入变量、获取故障信息等。各类传感器负责获取数据信息，供控制器进行分析并作出判断动作，如温度传感器，该传感器安装于皮带运输机的滚筒旁，用于检测滚筒过热，当该数据值超过85℃时，即表明滚筒过热，需要皮带运输机停机检查并排除故障。隔离栅能够将模拟信号以及通信信号进行隔离，使得PLC控制器获取的信号更加稳定[3]。人机界面用于皮带运输机运行时关键参数的显示以及故障信息提示。

2 优化方案1——变频调速

煤矿井下皮带运输机的控制方式大多数是工频运行，即只要皮带运输机启动，无论皮带上有无煤块、也不管皮带上煤块的多少，皮带运输机总是以恒速运行，这样带来的一个最直接的问题就是使得皮带运输机的空载率大大增加，使用效率降低。为减少皮带运输机的空载率，在原有的皮带运输机电气系统中增加一个变频器，用于对皮带运输机的变频调速，同时需要在每一架皮带机上增加一个重物测量传感器，用于PLC控制器的控制策略[4]。

利用皮带运输机每一架上安装的重物测量传感器，获取当前皮带机上的煤量信息，根据煤量信息来控制变频器的输出频率，进而控制皮带电机转速，这种方法需要设计控制算法，在工业领域实现较为困难。目前，采用较多的控制策略是将皮带运输机的运行速度分为高速、中速以及低速三种运行方式。该控制策略在PLC控制器中容易实现。

3 优化方案2——CAN通信

煤矿井下的皮带运输机电气系统中有许多传感器，如跑偏传感器、纵撕传感器、烟雾传感器以及温度传感器等，如果使用硬连接线进行连接时，不仅使用线缆较多，而且接线、走线困难，遇到传感器故障时，排查线缆也极为不方便。因此，本文提出一种CAN通信的优化方案，如图1所示。

图1CAN通信优化

在传感器与PLC控制器之间增加一个数据采集器，该采集器通过采集传感器组的传感器数据，将这些数据以CAN通信的方式传送给PLC控制器。在CAN通信中，数据采集器作为主站，PLC控制器为从站，站节点号设定为2，波特率为250 kbit/s，采用CAN2.0A协议，采用标准帧[5]。数据采集器与PLC控制器的CAN通信协议格式定义如下页表1所示。采用CAN通信设计后，只用CANH和CANLl两条通信线不仅可以取代各个传感器的线缆，而且减少PLC控制器的输入节点，节省PLC扩展模块，降低电气设计成本。

表1 数据采集器与PLC控制器CAN通信协议格式

4 优化方案3——联动控制

煤矿井下皮带运输机一般与破碎机配套使用，掘进机或连采机将煤块截割后，经破碎机破碎成小块，传送给皮带机进行输送。当掘进机、连采机或破碎机出现故障时，如果皮带机还处于运行状态，会造成皮带运输机的使用率降低，空载率增加；当皮带运输机出现故障时，如果掘进机或连采机还处于运行状态，会造成皮带运输机上堆煤，甚至造成更大的隐患。应设计一种皮带运输机、掘进机/连采机以及破碎机三者之间的联动控制，即：当掘进机/连采机故障时，不能启动皮带运输机，对其闭锁控制；当破碎机故障时，不能启动皮带运输机，对其闭锁控制；当皮带运输机故障时，不能启动破碎机、掘进机/连采机，对其闭锁控制。该方案设计可在PLC控制器中软件编程实现[6]。

5 优化方案4——故障定位

煤矿井下皮带运输机延伸距离长，传感器种类以及数量众多，当皮带运输机出现故障时，必须在短时间内确定故障信息并排除故障，因此，故障定位显得尤为重要。图2为优化方案设计的故障定位系统，该定位系统中显示的信息有故障信息、变频调速信息、联动控制信息以及CAN通信信息，其中故障信息有传感器故障、电机故障以及通信故障[7]。图2中显示的是堆煤传感器故障，具体的堆煤传感器位于10号架，这样就可以精准定位传感器故障的位置。在PLC程序的处理中，需要将所有传感器进行分组，编号。如温度传感器分组为第五组，则每一个温度传感器可表示为5-1、5-2以此类推。

图2 故障定位系统

6 结语

对皮带运输机电气系统进行了四方面的优化，即皮带电机的变频调速、传感器组与PLC控制器的CAN通信、皮带运输机与破碎机、掘进机/连采机的联动控制以及故障定位功能。经过煤矿井下工业性试验，该优化方案能够减少皮带运输机的空载率，简化电气系统接线，保证生产安全并能准确定位故障发生地，提高了皮带运输机的生产效率。