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1.緒論
帶式輸送機(jī)是現(xiàn)代煤礦高產(chǎn)高效的主要輸送設(shè)備。防爆變頻器采用無速度傳感器矢量控制，與交流異步電機(jī)組成交流變頻拖動(dòng)，是目前井下輸送帶拖動(dòng)要求和價(jià)格適中的最佳拖動(dòng)設(shè)備。
因煤礦的特殊生產(chǎn)條件，皮帶運(yùn)輸車的運(yùn)煤量并不均勻，載重輕、不載重時(shí)，皮帶運(yùn)輸車的高速運(yùn)行對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)造成了極大的損耗，同時(shí)由于生產(chǎn)需要，耗電也較低速度運(yùn)行時(shí)大得多，但皮帶運(yùn)輸車系統(tǒng)卻不能隨時(shí)停下來。根據(jù)井下皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)的具體情況和要求，研制開發(fā)井下皮帶機(jī)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載的大小實(shí)時(shí)控制拖動(dòng)電機(jī)的加速或減速，從而使皮帶機(jī)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。適用于煤量隨時(shí)間頻繁變化的系統(tǒng)，能極大地節(jié)省電力，減少皮帶輸送系統(tǒng)的設(shè)備損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
2.輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。
輸帶機(jī)的智能控制系統(tǒng)由控制裝置、變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部分組成。其控制單元包括可編程程序控制器PLC、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，變頻器由隔爆殼主腔體、隔爆接線腔、本安控腔、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、程序參數(shù)控制器(鍵盤或CCS)操作臺(tái)等組成。負(fù)荷電流信號(hào)來自于各驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)變頻器輸出的電流反饋信號(hào)。
礦井皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)多采用雙輥驅(qū)動(dòng)或多輥驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輥由單個(gè)電機(jī)拖動(dòng)?？刂芇LC可以實(shí)現(xiàn)功率平衡，給定啟動(dòng)信號(hào)，給定轉(zhuǎn)速控制，與其它控制器通訊，數(shù)據(jù)采集和集控等功能。它具有故障自診斷和反饋，工作狀態(tài)反饋，電流反饋，無速度傳感器矢量控制，加減速時(shí)間，S曲線可任意調(diào)節(jié)等功能和特點(diǎn)。此外，變頻器還具有過載、過流、漏電、斷相、欠壓、超壓等多種相位保護(hù)功能，PID控制器可實(shí)現(xiàn)工頻/工頻轉(zhuǎn)換。
礦井供電電壓660V/1140V，與目前市場(chǎng)上廣泛使用的380V交流變頻器不一樣，大量使用在地下煤礦。此外，煤礦井下用電設(shè)備的保護(hù)等級(jí)至少為IP44以上，目前市場(chǎng)上的變頻器多為IP23以下。根據(jù)井下實(shí)際情況，選用ZJT系列防爆變頻器，它既是礦井的隔爆型，又是本質(zhì)安全型。無速度傳感器矢量控制方式實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，動(dòng)態(tài)高速響應(yīng)，低頻轉(zhuǎn)矩大，控制靈活，滿足了寬幅變頻調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩的要求。電機(jī)頻率的調(diào)節(jié)控制，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況的需要，采用無級(jí)調(diào)速的方式，設(shè)定好實(shí)際需要的參數(shù)值，即頻率/速度值，以達(dá)到精確適應(yīng)輸出所需的頻率/速度/功率。在現(xiàn)場(chǎng)條件改變時(shí)，可隨時(shí)通過本質(zhì)安全型參數(shù)程序控制器(鍵盤)(CCS)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行修改。
3.帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)控制方案
礦井皮帶機(jī)智能控制系統(tǒng)通過對(duì)前級(jí)皮帶機(jī)和本級(jí)皮帶機(jī)負(fù)載的分別測(cè)量，將采集到的負(fù)載電流信號(hào)進(jìn)行比較和運(yùn)算，向變頻器輸出模擬控制信號(hào)，并預(yù)先設(shè)定變頻器的基準(zhǔn)速度，從而實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)自控速度的智能控制，使皮帶機(jī)始終按最佳速度運(yùn)行。
本帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的具體控制方案如下：
為滿足易燃易爆及其他危險(xiǎn)場(chǎng)合控制電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)、軟停用及寬幅、恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速控制功能，采用ZJT-30隔爆兼本安變頻器，對(duì)本級(jí)和前級(jí)輸送帶上的四臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，變頻器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和軟停用。
選擇三菱FX2N系列PLC系列和A/D、D/A等模塊構(gòu)成控制裝置。通過PLCA/D模塊，集中采集本級(jí)和一級(jí)輸送機(jī)四臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載電流信號(hào)(變頻器的電流反饋信號(hào))，經(jīng)控制軟件處理、計(jì)算后，由D/A模塊輸出控制信號(hào)，預(yù)置變頻器基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，控制變頻器以相應(yīng)頻率驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)，完成輸送機(jī)的自動(dòng)變頻控制；可實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多皮帶運(yùn)行的自動(dòng)功率平衡調(diào)節(jié)功能。
系統(tǒng)的控制采用遙控防爆控制箱防爆，同時(shí)具有帶速度顯示、報(bào)警、自動(dòng)/手動(dòng)切換和驗(yàn)帶功能，保證了控制器在發(fā)生故障時(shí)能正常工作，驗(yàn)帶功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)低速驗(yàn)帶。
當(dāng)變頻器發(fā)生故障或跳閘時(shí)，會(huì)造成較大的停機(jī)損失，或出現(xiàn)其它意外故障，工頻變換系統(tǒng)可確保運(yùn)行的安全性。
控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，從而達(dá)到節(jié)能、高效運(yùn)行的目的。
3.1軟啟動(dòng)，軟停止特性。
在輸送帶傳動(dòng)系統(tǒng)中，軟啟動(dòng)和軟停止特性是首選的目標(biāo)。傳送帶本身是一種彈性體，在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)又具有極強(qiáng)的慣性，傳送帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)加速度與停止減速之間的數(shù)值越大，在傳送帶上儲(chǔ)存的能量就越大，釋放出來的能量將對(duì)傳送帶機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的沖擊。防爆炸變頻器的啟動(dòng)、停止時(shí)間任意可調(diào)，即在啟動(dòng)和停止過程中，加速度和減速任意可調(diào)，同時(shí)，為了使啟動(dòng)更加平穩(wěn)，還可配以其具有的S形加減速時(shí)間，使皮帶輸送機(jī)在啟動(dòng)和停止過程中產(chǎn)生的沖擊降到最小。
3.2向量控制不測(cè)速。
為保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)在大范圍調(diào)速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，變頻調(diào)速裝置采用無速度傳感器矢量控制方式。無測(cè)速傳感器矢量控制的基本思想是根據(jù)輸入電機(jī)的參數(shù)，按一定的關(guān)系式分別檢測(cè)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，并通過控制電機(jī)定子繞組電壓的頻率，使勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的指令值檢測(cè)達(dá)到一定的一致性，進(jìn)而輸出轉(zhuǎn)矩。在異步電機(jī)上安裝精密的速度測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向的精確控制，但在井下皮帶輸送機(jī)上安裝速度測(cè)量裝置卻比較困難，同時(shí)還會(huì)增加系統(tǒng)的負(fù)荷。由于沒有速度傳感器，控制系統(tǒng)不需要硬件檢測(cè)，大大減輕了速度傳感器帶來的各種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本；此外，由于體積小，重量輕，減少了電機(jī)和控制器之間的連接。它的控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩在1~50赫茲范圍內(nèi)均保持150%額定轉(zhuǎn)矩。
輸送帶在輸送煤炭的過程中，任何時(shí)刻都有可能立即停止，重新啟動(dòng)，因此必須考慮“重負(fù)荷啟動(dòng)”能力。此外，由于采用無速度傳感器的矢量控制方式，低頻運(yùn)行時(shí)能輸出1.5~2倍額定轉(zhuǎn)矩，所以最適合“重負(fù)荷啟動(dòng)”。
礦用膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)多采用雙輥驅(qū)動(dòng)或多輥驅(qū)動(dòng)，為了保證系統(tǒng)內(nèi)部的同步性能，首先要求位于機(jī)頭的各輥應(yīng)同步起停，某一電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)應(yīng)停止工作，同時(shí)要盡量保證各輥之間的功率平衡，以保證系統(tǒng)的輸送能力。該方法通過調(diào)節(jié)兩臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)兩臺(tái)電機(jī)的速度差，從而任意增大或減小兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流差。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使各電機(jī)的電流逐漸趨于平衡，從而形成動(dòng)態(tài)功率平衡系統(tǒng)。

4.PLC與變頻器信號(hào)相連。
可編程序控制器(PLC)是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的新型自動(dòng)控制設(shè)備。PLC以其體積小、可靠性高、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用變頻器組成自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，可編程控制器可以提供控制信號(hào)(如速度)和指令引導(dǎo)信號(hào)(啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn))。
轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)包括開關(guān)型指令信號(hào)(數(shù)字輸入信號(hào))，它可以在運(yùn)行/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行操作。轉(zhuǎn)換器通過繼電器接點(diǎn)或具有繼電器接點(diǎn)開關(guān)特性的元件(例如晶體管)與上位機(jī)連接，獲得工作狀態(tài)指示。
頻率信號(hào)在轉(zhuǎn)換器中的輸入是模擬輸入。模擬器的輸入是通過接線端子，由外部給定，通過0~10V電壓信號(hào)輸入的。因?yàn)檩斎胄盘?hào)不同，接口電路也不同，所以PLC的輸出模塊必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗來選擇。
5.PLC控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)。
輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)由PLC、可編程程序控制器PLC、A/D和D/A、轉(zhuǎn)換模塊等組成，PLC主要實(shí)現(xiàn)控制功能。利用梯形圖編程實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的軟件，程序主要包括顯示刷新，負(fù)載信號(hào)采集，控制操作，控制輸出等。
在控制單元部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊工作狀態(tài)的自診斷。在A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)生故障時(shí)，控制器控制顯示儀表顯示故障。ZJT系列變頻器有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和遙控兩種方式，通過內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)兩種方式的切換。具有故障自診斷功能的變頻器，可實(shí)時(shí)向控制裝置傳送故障信號(hào)。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，變頻器向控制器傳遞故障信號(hào)，控制器輸出故障報(bào)警信號(hào)和停止信號(hào)。
操縱操作部分是整個(gè)操縱梯形圖程序的主體?？删幊炭刂破鞲鶕?jù)上位機(jī)皮帶負(fù)載電流I1和上位機(jī)負(fù)載電流I2通過計(jì)算，向變頻器輸出控制電壓信號(hào)，并預(yù)先設(shè)定變頻器速度基準(zhǔn)，從而自動(dòng)調(diào)整變頻器運(yùn)行速度?？刂破鞑僮鞑糠种饕譃槿蟛僮髂K：
電流-負(fù)載操作模塊，根據(jù)反饋定子電流計(jì)算出相應(yīng)負(fù)載的大??；
負(fù)荷-速度操作模塊，根據(jù)模塊一計(jì)算出的負(fù)荷大小，計(jì)算出電機(jī)的最佳運(yùn)行速度。
速度-頻率操作模塊，根據(jù)模塊二計(jì)算出的最佳運(yùn)行速度，計(jì)算出輸出控制頻率。
在電流 - 負(fù)載運(yùn)算模塊，對(duì)本級(jí)皮帶的定子電流進(jìn)行積分，可以計(jì)算出一段時(shí)間間隔內(nèi)定子電流的平均值。對(duì)于上級(jí)皮帶所檢測(cè)的定子電流進(jìn)行分段處理。將上級(jí)皮帶定子電流值的變化范圍分成五段：I0,I1,I2,I3,I4,電流值依次增大，即I0< I1< I2< I3

6.結(jié)語(yǔ)
針對(duì)礦井皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)的實(shí)際情況，研制開發(fā)了井下皮帶輸送智能控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停止，并對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)變頻調(diào)速控制，充分發(fā)揮了變頻器的調(diào)速功能和電機(jī)的性能。該系統(tǒng)極大地降低了皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的能耗，減少了設(shè)備的機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了皮帶機(jī)的使用壽命，提高了皮帶機(jī)的運(yùn)行安全系數(shù)。采用可編程序控制器、A/D模塊等構(gòu)成智能控制系統(tǒng)，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，程序靈活，便于擴(kuò)展等特點(diǎn)。此外，該控制系統(tǒng)還具有電機(jī)多項(xiàng)保護(hù)，自診斷監(jiān)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)集成接口等功能。因此，礦山井下輸送帶智能控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，保護(hù)措施完善，必將給用戶帶來巨大的利益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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