淺談智能控制系統(tǒng)在煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)上的運(yùn)用

1、淺談智能控制系統(tǒng)在煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)上的運(yùn)用摘要：本文淺析煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)用智能控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能、智能控制方法、PLC與變頻器的信號(hào)連接方式，以及PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等。關(guān)鍵詞：礦井；皮帶運(yùn)輸機(jī)；智能控制系統(tǒng)；功能1 引言皮帶運(yùn)輸機(jī)在煤礦的應(yīng)用非常廣泛，如今即使中小型礦井也都運(yùn)用上了皮帶機(jī)運(yùn)輸。而不少皮帶運(yùn)輸機(jī)都實(shí)現(xiàn)了變頻控制。由無(wú)速度傳感器矢量控制的防爆變頻器與交流異步電動(dòng)機(jī)，共同構(gòu)成了交流變頻拖動(dòng)系統(tǒng)，這也是目前符合井下皮帶運(yùn)輸機(jī)拖動(dòng)要求，且價(jià)格適中，便于推廣應(yīng)用的最佳拖動(dòng)設(shè)備。因井下的特殊生產(chǎn)條件，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的，在負(fù)載較輕或無(wú)負(fù)載時(shí)，皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)

2、行對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗也比低速運(yùn)行時(shí)也大得多，有時(shí)因生產(chǎn)的需要，皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車。作為井下皮帶運(yùn)輸機(jī)智能控制系統(tǒng)，它能根據(jù)負(fù)載的大小實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)加減速，使皮帶機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。由于系統(tǒng)適應(yīng)煤量隨時(shí)變化的問(wèn)題，顯然能大大節(jié)約電能，降低皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)備損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。2 智能控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。皮帶運(yùn)輸機(jī)智能控制系統(tǒng)，是由控制裝置、變頻器、執(zhí)行電動(dòng)機(jī)等組成的，其中控制裝置由可編程序控制器PLC、AD及DA轉(zhuǎn)換模塊等組成；變頻器由隔爆殼主腔，隔爆接線腔、本安控制腔、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

3、組成。負(fù)載電流信號(hào)，來(lái)自各驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)變頻器的電流反饋信號(hào)（見(jiàn)圖1）。2）控制系統(tǒng)功能。井下皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)多為雙滾筒驅(qū)動(dòng)或多滾筒驅(qū)動(dòng)，而每個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒則由單一的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)?？刂破鱌LC可實(shí)現(xiàn)功率平衡、起動(dòng)信號(hào)給定、速度控制與給定、與其他控制器通信、數(shù)據(jù)采集和集控等功能；變頻器具有故障自診斷及反饋、運(yùn)行狀態(tài)反饋、電流反饋、無(wú)速度傳感器矢量控制、加減速時(shí)間、S形曲線任意可調(diào)等功能；變頻器還具有過(guò)載、過(guò)流、漏電、斷相、欠壓、過(guò)壓等多相保護(hù)功能以及PID控制器選件和工變頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。圖1 皮帶機(jī)智能變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件框圖3）控制系統(tǒng)適應(yīng)性選擇。井下多使用660V1140V級(jí)供電電壓，其供電裝置外殼防護(hù)等級(jí)

4、至少為IP44以上，而市場(chǎng)上的變頻器多為IP23以下。由于井下環(huán)境條件又比較惡劣，所以選用ZJT系列防爆（兼本質(zhì)安全型）型式變頻器就能適應(yīng)此環(huán)境的應(yīng)用。變頻調(diào)速采用無(wú)速度傳感器矢量控制方式，它具有動(dòng)態(tài)高速響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩大、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，并能滿足寬范圍變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)矩大的要求。在電動(dòng)機(jī)頻率的調(diào)整控制上，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況的實(shí)際需要，以無(wú)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)到精確地適應(yīng)所需頻率速度功率的輸出的要求。若現(xiàn)場(chǎng)工況發(fā)生變化時(shí)，可隨時(shí)用本質(zhì)安全型參數(shù)程序控制器（鍵盤或CCS）來(lái)修改參數(shù)，以適應(yīng)新場(chǎng)合的要求。3 智能控制方法1）控制目標(biāo)。皮帶機(jī)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)前級(jí)皮帶機(jī)

5、、本級(jí)皮帶機(jī)的負(fù)載進(jìn)行分別測(cè)量，并將采集到的負(fù)載電流信號(hào)進(jìn)行比較和運(yùn)算處理，輸出模擬控制信號(hào)給變頻器，預(yù)置變頻器的基準(zhǔn)速度，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)自動(dòng)調(diào)速智能控制，使皮帶機(jī)始終處于最佳速度運(yùn)行狀態(tài)。2）智能控制方法。為滿足易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合下控制電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)、軟停車及寬范圍、恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速控制功能，可采用ZJT-30隔爆兼本安變頻器對(duì)本級(jí)和前級(jí)皮帶運(yùn)輸機(jī)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)與軟停車。運(yùn)用三菱公司的FX2N系列PLC及AD、DA模塊組成控制裝置。由 PLC通過(guò)AD模塊集中采集本級(jí)和前級(jí)皮帶運(yùn)輸機(jī)四臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流信號(hào)（變頻器的電流反饋信號(hào)），

6、經(jīng)控制軟件處理、計(jì)算后，再由DA模塊輸出控制信號(hào)，預(yù)置變頻器的基準(zhǔn)速度，控制變頻器以相應(yīng)的頻率驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)，從而完成系統(tǒng)的自動(dòng)變頻調(diào)速控制；與此同時(shí)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)的控制可采用防爆控制箱遠(yuǎn)程控制，同時(shí)具有膠帶帶速顯示、報(bào)警、自動(dòng)手動(dòng)切換及驗(yàn)帶功能，手動(dòng)控制可以保證控制器在故障情況下的運(yùn)行，驗(yàn)帶功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)的低速驗(yàn)帶。在變頻器故障或跳脫時(shí)會(huì)引起較大的停機(jī)損失或其他意外的故障發(fā)生，工變頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則可保證運(yùn)行安全。控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效運(yùn)行。智能控制系統(tǒng)的軟起動(dòng)、軟停車問(wèn)題。皮帶運(yùn)輸機(jī)本身就是一個(gè)彈性體，在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)

7、又具備極大的慣性，所以起動(dòng)加速度與停車減速度的值越大，在皮帶上存儲(chǔ)的能量就越大，而釋放這些能量就會(huì)對(duì)輸送機(jī)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生極大的沖擊。防爆變頻器的起動(dòng)、停止時(shí)間是任意可調(diào)的，為了平穩(wěn)起動(dòng)，還可匹配其具備的S形加減速時(shí)間，這樣可將皮帶運(yùn)輸機(jī)起停時(shí)產(chǎn)生的沖擊減至最小。智能控制系統(tǒng)的無(wú)速度傳感器的矢量控制問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)速過(guò)程中能保證驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，變頻調(diào)速裝置采用無(wú)速度傳感器矢量控制方式。其基本控制思想是根據(jù)輸入的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制電動(dòng)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)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控

8、制目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)精確的磁場(chǎng)定向矢量控制，需要在異步電動(dòng)機(jī)上安裝精密的測(cè)速裝置，而井下皮帶運(yùn)輸機(jī)上安裝測(cè)速裝置很困難，也增加了系統(tǒng)的維護(hù)量。運(yùn)用無(wú)速度傳感器的控制系統(tǒng)，無(wú)需檢測(cè)硬件，省掉速度傳感器帶來(lái)的弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了系統(tǒng)的成本。采用此控制，系統(tǒng)體積小、重量輕，并減少了許多連線。同時(shí)，頻率控制在1-50Hz范圍內(nèi)時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩均保持在150%額定轉(zhuǎn)矩。運(yùn)輸過(guò)程中任意一刻都能立即停車再重新起動(dòng)，所以滿足“重載起動(dòng)”能力很關(guān)鍵。采用此無(wú)速度傳感器矢量控制方式，低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出1.5-2倍額定轉(zhuǎn)矩，就非常適用于“重載起動(dòng)”。皮帶機(jī)多為雙滾筒驅(qū)動(dòng)或多滾筒驅(qū)動(dòng)，為保證系統(tǒng)內(nèi)的同步性能，機(jī)頭的各滾

9、筒應(yīng)同步起停，若某一電機(jī)故障時(shí)能系統(tǒng)停機(jī)，又能保證系統(tǒng)的運(yùn)輸能力，應(yīng)盡量保證各滾筒之間的功率平衡。通過(guò)調(diào)整相應(yīng)兩變頻器的速度給定，即可調(diào)整兩電動(dòng)機(jī)之間的速度差，從而任意增大或減小兩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流差值的大小。通過(guò)調(diào)整各電動(dòng)機(jī)的速度，使各電機(jī)電流值逐步趨于平衡，使之形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的功率平衡系統(tǒng)。4 PLC與變頻器的信號(hào)連接方式可編程序控制器（PLC）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。因其體積小、可靠性高及組態(tài)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。在此利用變頻器構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，用PLC可提供控制信號(hào)（如速度）和指令通斷信號(hào)（起動(dòng)、停止、反向）。變頻器的輸入

10、信號(hào)中包括對(duì)運(yùn)行停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行操作的開(kāi)關(guān)型指令信號(hào)。變頻器利用繼電器觸點(diǎn)或具有繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)特性的元器件與上位機(jī)連接，獲取運(yùn)行狀態(tài)指令。變頻器中頻率信號(hào)的輸入為模擬輸入。模擬輸入通過(guò)接線端子由外部給定，通過(guò)0-10V/5V的電壓信號(hào)輸入。由于接口電路因輸入信號(hào)而異，必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗選擇PLC的輸出模塊。5 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)皮帶運(yùn)輸機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制裝置由可編程序控制器PLC、A/D及DA轉(zhuǎn)換模塊等組成，控制功能主要由PLC實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)軟件由梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)，程序主要包括顯示刷新、負(fù)載信號(hào)采集、控制運(yùn)算及控制輸出等部分?？刂蒲b置部分具有自診斷A/D及DA轉(zhuǎn)換模

11、塊工作狀態(tài)的功能。當(dāng)A/D及DA轉(zhuǎn)換模塊出現(xiàn)故障時(shí)，控制器控制顯示儀表進(jìn)行故障顯示。ZJT系列變頻器有就地手動(dòng)和遠(yuǎn)程控制兩種方式，兩種方式的切換由內(nèi)部參數(shù)設(shè)置決定。變頻器具有故障自診斷功能，能實(shí)時(shí)將故障信號(hào)傳輸給控制裝置。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器將故障信號(hào)傳輸給控制器，控制器則輸出故障報(bào)警信號(hào)及停車信號(hào)?？刂七\(yùn)算部分是整個(gè)控制梯形圖程序的主要部分。PLC根據(jù)本級(jí)皮帶負(fù)載電流I1和前級(jí)皮帶負(fù)載電流I2通過(guò)計(jì)算，輸出控制電壓信號(hào)給變頻器，預(yù)置變頻器的速度基準(zhǔn)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度?？刂七\(yùn)算部分設(shè)置三個(gè)運(yùn)算模塊：電流-負(fù)載運(yùn)算模塊，由反饋的定子電流來(lái)找出對(duì)應(yīng)的負(fù)載的大小。負(fù)載-速度運(yùn)算模塊，

12、根據(jù)模塊一計(jì)算出的負(fù)載的大小來(lái)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的最佳運(yùn)行速度。速度-頻率運(yùn)算模塊，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。系統(tǒng)綜合本級(jí)皮帶負(fù)載電流I1和前級(jí)皮帶負(fù)載電流I2的變化情況，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給變頻器，預(yù)置變頻器的基準(zhǔn)速度，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，使其處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。6 結(jié)語(yǔ)井下皮帶運(yùn)輸機(jī)智能控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)的軟起動(dòng)、軟停車，而且也實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)變頻調(diào)速控制，并充分發(fā)揮了變頻器的調(diào)速功能和電動(dòng)機(jī)的性能。它在很大程度上降低了皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的電能消耗，減少了設(shè)備的機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了輸送帶的使用壽命，提高了皮帶機(jī)的運(yùn)行安全系數(shù)。由可編程序控制器、AD模塊等組成的智能控制系統(tǒng)，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、程序柔性強(qiáng)、擴(kuò)充方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)