摘要：针对煤矿井下用皮带运输机控制系统存在的无法调速、电能浪费等问题，设计基于变频调速的皮带智能控制系统。根据交流异步电动机转速、定子阻抗压降原理设计变频调速控制系统。设计方案经实际应用表明，皮带带速能够根据实际输送量进行实时、自适应调速，并达到节能的目的。
关键词：变频调速；智能控制；CAN总线通讯；皮带运输机
传统皮带运输机控制系统采用工频控制模式，即给定皮带运输机额定速度，不考虑载荷情况。该控制模式可导致皮带长时间处于空载、轻载状态，造成电能浪费。同时，皮带运输机工频启动时，会产生较大的瞬时启动电流，对机械部件造成大的电流冲击，缩短皮带运输机使用寿命，增加故障发生率[1]。其问题还包括：1）无法实现精确控制，驱动多台电动机时无法实现转矩、转速、功率一致。2）运行效率低下，运行过程中会产生热量，需配置制冷装置。3）无法实现皮带运输机的软起、软停，机械磨损严重。为解决皮带运输机工频控制模式的缺点，文章以煤矿井下皮带运输机为研究对象，采用变频控制技术、CAN总线通讯技术以及组态软件技术实现皮带运输机的智能控制。
1控制原理分析
皮带输送机采用交流异步电动机驱动滚筒运行，交流异步电动机转速可表示为：n=60f1p（1-s）（1）式中：p为电动机极对数，s为电动机转差率，对指定电动机而言，参数p和s为恒定值。电动机定子频率f1发生变化时，相关参数也会发生变化并影响调速性能。因此，在调节电动机f1时必须与电压调节匹配，其中交流异步电动机定子线电压可表示为[2-3]：U1=E1+I1Z1（2）定子感应电动势有效值为：E1=4.44f1ω1Φmkwl（3）当忽略定子阻抗压降时有：U1≈E1=4.44f1ω1Φmkwl（4）式中：I1为定子电流；Z1为定子等效阻抗；ω1为定子绕组系数；f1为定子频率；Φm为主磁通；kwl为定子绕组串联匝数。由式（4）可知，f1下降时，转速n和Φm下降。当定子线电压U1不变时，U1与E1的差值会增大，定子电流I1会增加，会导致电动机的功率因素降低，影响电动机的负载能力。因此，基于变频控制技术，当皮带输送机负载量较小时，通过变频器降低电动机运行频率，降低皮带运行速度，避免“大马拉小车”现象发生。皮带智能控制系统的设计原理见图1，由调度层、控制层组成。控制层用于控制皮带的运行、停止、加减速以及故障巡查等。按照控制器、变频器、电动机、减速器模式驱动滚筒运转，进而带动皮带运行。控制器与变频器之间按照通讯模式+硬连接双冗余控制模式完成指令、数据传输，保证变频驱动的可靠性与安全性。为监测皮带运行状态，在皮带沿线安装速度、跑偏、温度、纵撕、打滑等传感器，将皮带运行状态传送至控制器并参与逻辑控制、故障报警等。调度层由上位机HMI监控平台组成，除可实时显示皮带运行状态信息、参数设置信息、故障报警等，还可完成对皮带的远程控制，如远程启动、远程停止等。控制层中的控制器以CAN总线通讯模式将皮带运行的所有数据传送至上位机。
2硬件系统设计
基于变频调速的皮带智能控制系统用到的核心硬件部件包括控制器、传感器、变频器以及上位机HMI等。控制器主要完成的功能有模拟量/数字量数据采集、CAN总线通讯、逻辑控制、数据计算及存储以及故障诊断。选用EPEC3724控制器为该控制系统的核心CPU，能够适应煤矿井下恶劣使用环境，防护等级较高，稳定性好。选用三菱的SA-1000高压变频器，采用矢量变频电力驱动模式，调速范围宽、控制精度低，启动电流小，对电网冲击小，能够实现多电动机驱动功率平衡，功率因素高，运行成本低，能够达到节能的效果。传感器中的速度传感器安装于被动转动部件，可精确、实时监测皮带带速并发出故障报警信号；温度传感器用于监测驱动滚筒温度，当温度超限后，发出温度报警信号；跑偏传感器安装于皮带两侧，堆成安装，间距为30～50m；纵撕传感器用于监测皮带的撕裂信号，输出为0～10V电压信号，监测精度小于等于0.02F.S。
3软件系统设计
3.1PLC程序设计
基于变频调速的皮带智能控制系统控制层PLC程序采用ST语言进行编写，按照皮带智能控制系统实现的功能，划分为初始化模块、基本逻辑处理模块、变频控制模块、故障处理模块、通讯处理模块、上位机HMI数据处理模块等。设计的变频控制模块以及故障处理模块PLC程序设计流程见图2。皮带运输机开始运行后，控制器首先对输送信息进行检测、存储，如果当前输送量为额定输送量，则保持带速；如果实际输送量与当前带速不匹配并不能达到节能效果，则增加/减少变频器运行频率，进而自适应调节皮带带速。调节变频器运行频率的间隔为1Hz，即每调节一次增加或减少的变频频率为1Hz。为保证皮带运输机稳定、连续运行，对运行过程中的故障需进行预测和处理，如减速机断轴、皮带打滑、皮带跑偏、皮带散料、电动机过热等。当皮带运输机出现故障时，需对控制柜进行停机控制并停止电动机工作，待故障解决后重新上电。
3.2HMI程序设计
基于变频调速的皮带智能控制系统调度层上位机软件基于KingSCADA组态软件完成，程序设计框图见图3，由用户界面、系统状态显示界面、手动控制界面以及预警界面四部分组成。控制层控制器以CAN总线通讯模式将皮带运行的所有数据传送给KingSCADA组态软件平台。KingSCADA平台将数据进行解析后映射至本地变量并完成动态链接、实时更新[4-5]。通过该上位机HMI监控平台，可完成用户登录/注销/注册；可实时查看带速、输送量等关键数据的实时曲线、历史曲线；可对皮带电动机进行远程启动、停止以及调速控制；可对传感器的阈值范围进行设置并查询、监测报警信息。
4应用分析
为验证设计的基于变频调速的皮带智能控制系统的实用性和正确性，在某煤矿井下用皮带运输机完成工业性试验。选用的皮带运输机主要技术参数见表1。进行工业性试验时，考虑不同额定带速情况时，实际输送量为额定输送量的70%、60%以及50%时皮带带速调整值，数据统计见表2，为皮带最佳运行速度。皮带运输机变频方案最佳运行模式可由式（5）～（8）决定[6]：式中：Q额定为皮带运输机额定输送量，t/h；V额定为额定输送速度，m/s；S为物料面积，m2；k为调节系数，可查表；ρ为输送机的物料密度，kg/m3；Φ为比例系数，可查见表2。由式（5）～式（8）可知，皮带变频调速时的频率和变频后的带速是同步变化的，且变化率相同，都为Φ。
5结语
采用变频控制模式，根据物料承载状态，自适应、实时调节皮带带速，可避免空载、轻载、超载情况发生，达到节能降耗的目的。同时可实现异常状态时皮带电动机保护软停机，降低启动电流，延长皮带运输机机械部件的使用寿命[7-8]。
作者：张德明 单位：西山煤电集团有限责任公司官地煤矿