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1.緒論
帶式輸送機是現(xiàn)代煤礦高產(chǎn)高效的主要輸送設備。防爆變頻器采用無速度傳感器矢量控制，與交流異步電機組成交流變頻拖動，是目前井下輸送帶拖動要求和價格適中的最佳拖動設備。
因煤礦的特殊生產(chǎn)條件，皮帶運輸車的運煤量并不均勻，載重輕、不載重時，皮帶運輸車的高速運行對機械傳動系統(tǒng)造成了極大的損耗，同時由于生產(chǎn)需要，耗電也較低速度運行時大得多，但皮帶運輸車系統(tǒng)卻不能隨時停下來。根據(jù)井下皮帶機輸送系統(tǒng)的具體情況和要求，研制開發(fā)井下皮帶機智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)負載的大小實時控制拖動電機的加速或減速，從而使皮帶機達到最佳工作狀態(tài)。適用于煤量隨時間頻繁變化的系統(tǒng)，能極大地節(jié)省電力，減少皮帶輸送系統(tǒng)的設備損耗，延長設備使用壽命。
2.輸送機智能控制系統(tǒng)的硬件構成。
輸帶機的智能控制系統(tǒng)由控制裝置、變頻器、驅(qū)動電機等部分組成。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)操作臺等組成。負荷電流信號來自于各驅(qū)動皮帶機變頻器輸出的電流反饋信號。
礦井皮帶輸送機系統(tǒng)多采用雙輥驅(qū)動或多輥驅(qū)動，每一個驅(qū)動輥由單個電機拖動?？刂芇LC可以實現(xiàn)功率平衡，給定啟動信號，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，加減速時間，S曲線可任意調(diào)節(jié)等功能和特點。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功能，PID控制器可實現(xiàn)工頻/工頻轉(zhuǎn)換。
礦井供電電壓660V/1140V，與目前市場上廣泛使用的380V交流變頻器不一樣，大量使用在地下煤礦。此外，煤礦井下用電設備的保護等級至少為IP44以上，目前市場上的變頻器多為IP23以下。根據(jù)井下實際情況，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現(xiàn)了變頻調(diào)速，動態(tài)高速響應，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。電機頻率的調(diào)節(jié)控制，應根據(jù)現(xiàn)場工況的需要，采用無級調(diào)速的方式，設定好實際需要的參數(shù)值，即頻率/速度值，以達到精確適應輸出所需的頻率/速度/功率。在現(xiàn)場條件改變時，可隨時通過本質(zhì)安全型參數(shù)程序控制器(鍵盤)(CCS)對其參數(shù)進行修改。
3.帶式輸送機智能控制系統(tǒng)控制方案
礦井皮帶機智能控制系統(tǒng)通過對前級皮帶機和本級皮帶機負載的分別測量，將采集到的負載電流信號進行比較和運算，向變頻器輸出模擬控制信號，并預先設定變頻器的基準速度，從而實時調(diào)整電機速度，實現(xiàn)皮帶機自控速度的智能控制，使皮帶機始終按最佳速度運行。
本帶式輸送機智能控制系統(tǒng)的具體控制方案如下：
為滿足易燃易爆及其他危險場合控制電動機軟起動、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，對本級和前級輸送帶上的四臺交流電動機進行驅(qū)動控制，變頻器可實現(xiàn)電動機的軟起動和軟停用。
選擇三菱FX2N系列PLC系列和A/D、D/A等模塊構成控制裝置。通過PLCA/D模塊，集中采集本級和一級輸送機四臺驅(qū)動電機的負載電流信號(變頻器的電流反饋信號)，經(jīng)控制軟件處理、計算后，由D/A模塊輸出控制信號，預置變頻器基準轉(zhuǎn)速，控制變頻器以相應頻率驅(qū)動輸送機，完成輸送機的自動變頻控制；可實現(xiàn)多電機驅(qū)動、多皮帶運行的自動功率平衡調(diào)節(jié)功能。
系統(tǒng)的控制采用遙控防爆控制箱防爆，同時具有帶速度顯示、報警、自動/手動切換和驗帶功能，保證了控制器在發(fā)生故障時能正常工作，驗帶功能實現(xiàn)運輸機低速驗帶。
當變頻器發(fā)生故障或跳閘時，會造成較大的停機損失，或出現(xiàn)其它意外故障，工頻變換系統(tǒng)可確保運行的安全性。
控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡通訊功能，可以進行遠程監(jiān)控和控制，從而達到節(jié)能、高效運行的目的。
3.1軟啟動，軟停止特性。
在輸送帶傳動系統(tǒng)中，軟啟動和軟停止特性是首選的目標。傳送帶本身是一種彈性體，在帶負荷運行時又具有極強的慣性，傳送帶運輸機啟動加速度與停止減速之間的數(shù)值越大，在傳送帶上儲存的能量就越大，釋放出來的能量將對傳送帶機械系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的沖擊。防爆炸變頻器的啟動、停止時間任意可調(diào)，即在啟動和停止過程中，加速度和減速任意可調(diào)，同時，為了使啟動更加平穩(wěn)，還可配以其具有的S形加減速時間，使皮帶輸送機在啟動和停止過程中產(chǎn)生的沖擊降到最小。
3.2向量控制不測速。
為保證驅(qū)動電機在大范圍調(diào)速時的輸出轉(zhuǎn)矩，變頻調(diào)速裝置采用無速度傳感器矢量控制方式。無測速傳感器矢量控制的基本思想是根據(jù)輸入電機的參數(shù)，按一定的關系式分別檢測勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，并通過控制電機定子繞組電壓的頻率，使勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的指令值檢測達到一定的一致性，進而輸出轉(zhuǎn)矩。在異步電機上安裝精密的速度測量裝置，實現(xiàn)磁場定向的精確控制，但在井下皮帶輸送機上安裝速度測量裝置卻比較困難，同時還會增加系統(tǒng)的負荷。由于沒有速度傳感器，控制系統(tǒng)不需要硬件檢測，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，減少了電機和控制器之間的連接。它的控制電機轉(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，任何時刻都有可能立即停止，重新啟動，因此必須考慮“重負荷啟動”能力。此外，由于采用無速度傳感器的矢量控制方式，低頻運行時能輸出1.5~2倍額定轉(zhuǎn)矩，所以最適合“重負荷啟動”。
礦用膠帶輸送機系統(tǒng)多采用雙輥驅(qū)動或多輥驅(qū)動，為了保證系統(tǒng)內(nèi)部的同步性能，首先要求位于機頭的各輥應同步起停，某一電動機出現(xiàn)故障時系統(tǒng)應停止工作，同時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)兩臺變頻器的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)兩臺電機的速度差，從而任意增大或減小兩臺驅(qū)動電機的電流差。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)各電機的轉(zhuǎn)速，使各電機的電流逐漸趨于平衡，從而形成動態(tài)功率平衡系統(tǒng)。

4.PLC與變頻器信號相連。
可編程序控制器(PLC)是一種集計算機技術、自動控制技術和通訊技術于一體的新型自動控制設備。PLC以其體積小、可靠性高、配置靈活等優(yōu)點，在工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用。采用變頻器組成自動控制系統(tǒng)時，可編程控制器可以提供控制信號(如速度)和指令引導信號(啟動、停止、反轉(zhuǎn))。
轉(zhuǎn)換器的輸入信號包括開關型指令信號(數(shù)字輸入信號)，它可以在運行/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、點動等運行狀態(tài)下進行操作。轉(zhuǎn)換器通過繼電器接點或具有繼電器接點開關特性的元件(例如晶體管)與上位機連接，獲得工作狀態(tài)指示。
頻率信號在轉(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電壓信號輸入的。因為輸入信號不同，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主要實現(xiàn)控制功能。利用梯形圖編程實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的軟件，程序主要包括顯示刷新，負載信號采集，控制操作，控制輸出等。
在控制單元部分，實現(xiàn)了對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，控制器控制顯示儀表顯示故障。ZJT系列變頻器有現(xiàn)場手動和遙控兩種方式，通過內(nèi)部參數(shù)設置，實現(xiàn)兩種方式的切換。具有故障自診斷功能的變頻器，可實時向控制裝置傳送故障信號。在系統(tǒng)發(fā)生故障時，變頻器向控制器傳遞故障信號，控制器輸出故障報警信號和停止信號。
操縱操作部分是整個操縱梯形圖程序的主體。可編程控制器根據(jù)上位機皮帶負載電流I1和上位機負載電流I2通過計算，向變頻器輸出控制電壓信號，并預先設定變頻器速度基準，從而自動調(diào)整變頻器運行速度。控制器操作部分主要分為三大操作模塊：
電流-負載操作模塊，根據(jù)反饋定子電流計算出相應負載的大?。?br /> 負荷-速度操作模塊，根據(jù)模塊一計算出的負荷大小，計算出電機的最佳運行速度。
速度-頻率操作模塊，根據(jù)模塊二計算出的最佳運行速度，計算出輸出控制頻率。
在電流 - 負載運算模塊，對本級皮帶的定子電流進行積分，可以計算出一段時間間隔內(nèi)定子電流的平均值。對于上級皮帶所檢測的定子電流進行分段處理。將上級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
針對礦井皮帶機輸送系統(tǒng)的實際情況，研制開發(fā)了井下皮帶輸送智能控制系統(tǒng)。在此基礎上，實現(xiàn)了皮帶機的軟啟動、軟停止，并對皮帶機進行實時變頻調(diào)速控制，充分發(fā)揮了變頻器的調(diào)速功能和電機的性能。該系統(tǒng)極大地降低了皮帶機運輸系統(tǒng)的能耗，減少了設備的機械磨損，延長了皮帶機的使用壽命，提高了皮帶機的運行安全系數(shù)。采用可編程序控制器、A/D模塊等構成智能控制系統(tǒng)，具有可靠性高，抗干擾能力強，程序靈活，便于擴展等特點。此外，該控制系統(tǒng)還具有電機多項保護，自診斷監(jiān)測，網(wǎng)絡集成接口等功能。因此，礦山井下輸送帶智能控制系統(tǒng)功能強大，保護措施完善，必將給用戶帶來巨大的利益，具有廣闊的應用前景。

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