矿井皮带运输机变频控制系统设计

任世杰

（同煤集团临汾宏大虎峰煤业，山西运城 043300）

0 引言

在大型煤矿运输过程中，皮带输送机属于重要的运输设备，其具有结构简单、运输安全、便于维护、自动控制等特点。特别对于井下工况环境特殊，如运输线路比较长、空间相对狭小等，皮带输送机是井下采煤运输的最佳选择。皮带输送机在运输过程中，需要消耗大量的电能，属于高耗能装置。对于传统的皮带输送机而言，其控制形式比较单一，同时选用恒转速开环控制形式。假如采煤量比较小时，这时运输机依旧以高速度运行，加剧了电能的消耗，造成不必要的经济成本浪费。经过统计发现，当前我国煤矿皮带机工作效率低于60%，与科技发达国家相比还存在一定的差距。当前，采矿公司为了降低能耗，在皮带输送机上都设置了变频控制驱动电机，但并未对皮带输送机的动态监测与多驱动电机的功率进行合理分配，同时还存在变频控制精确度不高等［1］。基于此，本文设计了PLC控制的变频皮带输送机控制系统，其可以借助PLC对运输机的控制，进一步依据煤流量实现对电机频率的实时控制。在对运输机进行软控制时可以选用变频器，其具有实现运输机的无机调速以及系统的智能控制两个功能，进一步提升运输系统的自动化与智能化水平。

1 系统设计总体方案

1.1 系统架构

在设计时，皮带输送机选用双驱动的形式，其电机功率与体型方面占有绝对的优势，但在使用时需要采用较大功率的启动电流，同时输出功率不平衡，因此必须设计一个适合井下皮带输送机双机驱动的系统［2］。

本文设计的皮带输送机包括以下3大部分。

（1）运行监测层。运行监测层包括电参数采集单元、带速传感器单元、皮带秤单元、电机转速传感器。其中电参数采集单元主要可以采集电机参数，如电流、功率；带速传感器可以实现监测皮带运行速度；电机传感器可以采集电机转动的相关参数；皮带秤可以采集运量数据。

（2）PLC控制层。其属于控制核心层，收集各个环节的参数，同时完成参数的处理与分析，以及完成皮带输送机的启动与变频等操作。

（3）控制执行层。通常变频器可以借助PLC发出的频率来控制信号的输出频率，同时将其传输给电动机，进而可以达到控制电机启动与变频等功能。图1所示为系统总体结构框架。

图1 变频控制系统总体结构

1.2 功率平衡控制策略

由于设备的电机型号相同，供电条件也相同，因此可以认为电机的功率因数也相同，进而使用负载电流作为功率平衡的条件［3］。

电机在运行过程中通常可以划分为如下3种：2台电机都处于电动状态；1台工作于电动，而另1台处于发电状态；2台均工作于发电状态。假如2台电机都处于电动的工作状态下，那么将负载电流设为正；假如电机处于发电状态，那么可以把负载电流设置为负。当PLC接收到信号之后，对电流信号进行计算，进而得到电流的平均值，以IP为基准值，将Im与之比较，分别得到差值k1＝I1－IP，k2＝I2－IP，…，kn＝Im－IP。假如时，则该电机频率不需要进行调节；假如时，则把该电机的频率调下；假如时，则把该电机的频率调大。

对于1台发电、1台电动的状态时，可以使用控制器比较2个电机电流的绝对值。假如发电机的电流数值比较大时，那么等价于输送机处于牵引的状态，因此需要降低电动机的频率。反之，电机牵引运输机，这时可以通过增加发电机的频率，进而可以使其处于电动状态［4］。

2 硬件电路设计方案

图2 所示为皮带运输机变频控制系统驱动主电路设计，该工频分站三相电，主要借助控制柜的输入端输入信号，在此过程中需要借助滤波器、阻抗进行整流，而输出的交流电需要借助电阻抗与滤波器进行处理，最终将其输送给电机，当电机运转之后，可以实现皮带机工作。

图2 变频控制系统驱动主电路

在该系统中，PLC控制器核心硬件，型号为西门子S7－300，中央控制器型号选用CPU226，相应的输入输出模拟量选用SM331、SM332，可以实现各个参数的输入处理与输出转换。在进线端配置有输入电抗器，可以有效地对谐波电流进行抑制，进而能够有效地降低对电网的影响。与此同时，当电压处于不平衡状态时，输出阻抗器能够有效地改变对变频器的影响。

变频器在工作过程中往往会产生电磁，从而对控制器产生一定干扰，同时可能引发保护设备的误动。借助滤波器可以有效地起到抑制电磁干扰的作用，对设备误动起到一定的抑制作用，提升设备的安全运行［5］。当系统处于井下恶劣的工况条件下，控制柜不能设置在驱动机附近，可以设置输出电阻器来增加导线，与此同时能够较好地抑制变频器开关动作带来的冲击电压，从而可以极大地提高电缆的绝缘强度与安全运行情况。输出滤波器可以有效地消除输出电流中的高次谐波，从而能够保护电机。与此同时，可以降低能耗以及提高电能的使用率。

3 软件方案设计

当CPU得电之后，能够调用系统的主程序，假如遇到中断，那么将会执行中断程序之后，反过来执行主程序。通常系统的主程序包括运输机启动控制程序、运输机停比控制程序、故障保护程序等。当变频系统启动之后，对启动条件进行判断，假如外部电路满足启动条件，诸如电机滚筒、变频器不存在任何故障，那么即可启动程序。启动时主电路首先闭合，经过5 s的延时之后，进入变频模式。假如电机达到设定的速度时，还应保证电机保持正常的电流，这时系统启动结束。图3所示为运输机启动程序流程。

图3 运输机启动程序流程

当按下停止按钮之后，PLC将会输出停止按钮，从而使得主电路器断开，经过短暂延时之后将会停止变频。图4所示为相应的运输机停止程序流程［6］。

图4 运输机停止程序流程

系统在工作时，可以把PLC设定的速度参数传输给变频器，接着变频器可以接收到调速信号，进而实现调节。假如出现过流现象，那么系统将会立即发出停止指令，反之运输机达到设定的速度之后可以趋于稳定地运行。图5所示为相应的调速控制程序流程。

图5 运输机调速控制流程

4 变频控制的主要技术优势

变频控制的主要技术优势如下。

（1）有效掌控皮带运输机的软启动过程。电机的缓慢启动是通过变频调速技术达成的。另外，变频调速技术对于皮带内部的能量也可以实现很好地调控，起到保护机械和皮带的作用。

（2）调节皮带强度。变频调速技术的优点在于可以实现在一定时间内启动，然后对部分启动时间加以增补，这样就可以通过分担的方式来减弱皮带的强度，很大程度上降低了购买皮带的成本和维护成本［7］。

（3）引入主从式低压变频调速系统，使得在多个电机共同作业的情况下，转矩不平衡问题得到很好解决。

（4）可节能降耗。通过变频器对皮带输送机运行过程中的速度大小加以调整，在皮带运输机的负重发生变化时，运行速度也会相应发生改变，起到了节约能源消耗的效果［8］。

5 结束语

本文开发的井下皮带运输机变频系统经过实践发现，其具有平稳性，不仅可以实现变频调节，而且能够极大地降低能量消耗。经过检测发现，电机启动电流之后，其对供电系统产生的冲击比较小，能够极大地提高系统的性能、控制精度与稳定性，表现出良好的经济性。