礦用帶式輸送機電氣控制保護功能淺議

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摘要：簡要介紹了礦用帶式輸送機相關行業(yè)標準規(guī)定的七大保護功能，針對變頻調(diào)速和PLC控制技術已廣泛在煤炭行業(yè)應用的事實，分析了帶式輸送機重載啟動、張緊保護、功率平衡、剎車控制和超正功保護等涉及帶式輸送機安全性和可靠性的多種重要控制保護功能的必要性并給出實現(xiàn)方法，最后介紹了保護功能的可靠性設計。

關鍵詞：控制；保護；變頻調(diào)速；功率平衡

1帶式輸送機常規(guī)七大保護功能

按照煤炭行業(yè)標準MT872-2000《煤礦用帶式輸送機保護裝置技術條件》,帶式輸送機常規(guī)七大保護功能為打滑、跑偏、堆煤、超溫灑水、煙霧、撕帶和急停保護。MT872-2000作為行業(yè)標準，是保障礦用帶式輸送機安全運行的最低要求。但因受年代版本限制，不能反映20a來PLC控制和變頻調(diào)速已廣泛應用的技術進步，因此，一線設計工程師不能僅僅局限于滿足行標，應當充分發(fā)揮新技術優(yōu)勢，設計出更多控制保護功能，使帶式輸送機運輸系統(tǒng)更加安全、可靠。

2帶式輸送機控制保護功能探討

（1）張緊保護

帶式輸送機依靠輸送帶與驅(qū)動滾筒之間摩擦力進行能量傳遞，摩擦力與輸送帶的張緊力、驅(qū)動滾筒表面摩擦因數(shù)成正比，即摩擦力隨張緊力的下降成正比例下降。因此，保障張緊力穩(wěn)定是從根源上保障輸送帶不打滑的重要手段。控制系統(tǒng)實時監(jiān)控張緊力信號，當張緊力低于設定值時進行報警是很有必要的。大中型帶式輸送機往往采用液壓自動張緊裝置，其輸出油缸的壓力代表張緊力，該信號送入控制系統(tǒng)，將張緊油壓高于設定值作為帶式輸送機允許啟動的條件之一，帶式輸送機運行過程中出現(xiàn)張緊油壓低于設定值時可設計為只報警不停機。

（2）帶料重載啟動

采用除變頻器以外的軟啟動裝置（如液力耦合器、液黏軟啟動器等）的帶式輸送機，由于電機在低速段的輸出轉(zhuǎn)矩下降嚴重，不能實現(xiàn)帶料啟動，甚至不能直接空載啟動。因此，帶式輸送機帶料運行過程中出現(xiàn)保護停機時，保護信號恢復正常后仍不能立即啟動帶式輸送機，必須人工將帶式輸送機沿線物料卸下來后才可以重新啟動，啟動完成后再將堆放在輸送帶沿線的物料鏟裝到帶式輸送機上。嚴重消耗人力和時間，導致勞動生產(chǎn)率嚴重不足。帶式輸送機越長這種問題越嚴重。為了減輕這種困擾，傳統(tǒng)的帶式輸送機電氣設備從電機到變壓器的設計容量被顯著加大，帶式輸送機七大保護功能在現(xiàn)場往往形同虛設。這些非正常措施帶來其他諸多問題，譬如多占電力資源、電氣設備效率低、帶式輸送機帶病運行等，尤其是通過犧牲安全保障來促進連續(xù)生產(chǎn)的做法無異于飲鴆止渴。變頻器尤其是矢量控制型變頻器可以從根本上滿足帶式輸送機帶料重載啟動需要。矢量控制是變頻調(diào)速的一種控制算法，基本原理是通過坐標變換將電機定子繞組電流解耦為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流并分別獨立控制，使交流感應電機在低速段甚至零速下也能輸出高于額定的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，帶式輸送機從零速到設定速度的整個啟動過程中電機一直可以輸出高于額定的輸出力矩，保障帶式輸送機在設計運量范圍內(nèi)滿載啟動。而且啟動加速時間可根據(jù)帶式輸送機大小適當設置，使啟動過程十分平穩(wěn)。在實際現(xiàn)場調(diào)試中曾實現(xiàn)了帶式輸送機滿載啟動電流峰值不超過電機額定電流的2倍。綜上所述，軟啟動和帶料重載啟動宜作為帶式輸送機運輸系統(tǒng)的基本功能。

（3）多電機功率平衡控制

大型帶式輸送機往往采用雙電機或多電機驅(qū)動，如果傳動系統(tǒng)不具備各電機之間的功率平衡調(diào)節(jié)能力，帶式輸送機運行過程中由于各種擾動因素的干擾，會不時發(fā)生幾臺電機之間出力不均現(xiàn)象。該現(xiàn)象一旦發(fā)生，則會朝著越來越不均的方向惡化，直至其中一臺電機因嚴重過載而燒損。因此，采用矢量控制型變頻器，使電氣控制系統(tǒng)具備自動控制電機輸出轉(zhuǎn)矩能力，實現(xiàn)電機之間出力均衡應成為多電機帶式輸送機系統(tǒng)必須具備的功能。以雙電機驅(qū)動為例說明功率平衡控制原理，功率平衡控制原理接線圖如圖1所示。雙電機驅(qū)動時2臺電機一般同時配置于帶式輸送機機頭（上運輸送帶）或機尾（下運輸送帶）。它們對應的2臺變頻器應配置于同一電氣室內(nèi)互相靠近；2臺電機和對應的變頻器分別定義為主電機、主變頻器和從電機、從變頻器；主變頻器設置為速度控制模式，從變頻器設置為轉(zhuǎn)矩控制模式（只有矢量控制型變頻器才具備的功能）；主變頻器模擬量輸入口AI1設置為速度給定通道，控制系統(tǒng)將設定速度值轉(zhuǎn)換為4~20mA信號送入該通道，主變頻器運行過程中按照該設定值自動控制帶式輸送機速度；其模擬量輸出口AO1設置為輸出主變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩，送入從變頻器的AI1通道，該通道設置為從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定；從變頻器運行過程中按照該給定值自動控制輸出轉(zhuǎn)矩。這樣就實現(xiàn)了從變頻器自動跟隨主變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使主、從電機輸出轉(zhuǎn)矩保持一致。通俗講就是2臺電機出力相同，因為它們的速度是大致相同的，所以輸出功率也相同。實際工程中注意以下問題：①注意設置好主變頻器的轉(zhuǎn)矩限幅值和從變頻器的速度限幅值，這是保障轉(zhuǎn)矩跟隨精度、動態(tài)響應質(zhì)量的唯一可設定參數(shù)，應根據(jù)實際情況調(diào)試確定；②盡量采用如圖1所示硬接線的4~20mA信號進行速度和轉(zhuǎn)矩信號的傳遞，因為這是相對于數(shù)據(jù)通信模式和其他信號制而言抗干擾能力最強的信號傳遞方式。如果3臺或3臺以上電機驅(qū)動，無論這幾臺電機布置于帶式輸送機何種位置，仍然按一主多從模式設置，以保證帶式輸送機給定速度唯一。幾千米以上的大型帶式輸送機可能機頭、機尾或帶式輸送機中部設計有驅(qū)動電機，鑒于變頻器應當相對于電機就近布置，因此各變頻器之間距離較遠，此時只能采用數(shù)據(jù)通信模式進行信號傳遞，為了提高數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定可靠性，變頻器應當增配光電轉(zhuǎn)換接口，采用光纖介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳遞。

（4）下運帶式輸送機剎車控制

下運帶式輸送機剎車裝置是影響帶式輸送機安全運行的重要設備，結(jié)合變頻器和PLC等先進設備，精確控制剎車對提高下運帶式輸送機安全、減少剎車磨損等有諸多直接或間接益處。下運帶式輸送機啟動時，理想狀況是電機輸出轉(zhuǎn)矩達到額定值時剎車剛好完全松開；帶式輸送機停車時，理想狀況是帶式輸送機停住時剎車剛好完全抱緊。由于液壓站控制的盤形閘裝置從發(fā)出松閘信號到剎車完全松開需要數(shù)秒時間，而使用矢量控制型變頻器時電機從獲得啟動信號到輸出轉(zhuǎn)矩達到額定值的時間一般不會超過0.1s。因此，帶式輸送機啟動時應首先松開剎車，延時數(shù)秒等待剎車幾乎完全松開后再啟動電機，具體時間應反復觀察剎車動作時間并經(jīng)反復調(diào)試后確定。帶式輸送機停車過程中，變頻器輸出頻率是按設定的減速時間從50Hz線性下降到0。如果等到輸出頻率下降到0時才發(fā)出緊閘命令，可能會發(fā)生溜車現(xiàn)象；如果剛發(fā)出停車命令時（此時帶式輸送機速度沒有明顯下降）就發(fā)出緊閘命令，則會發(fā)生帶式輸送機在剎車閘緊的狀態(tài)下被電機硬性拖動現(xiàn)象。為此利用變頻器多功能輸出端口，設定其中一路信號為頻率到達信號，當變頻器減速過程中頻率下降到設定的頻率值時該信號由斷開變?yōu)榻油?，利用該頻率到達信號控制剎車裝置發(fā)出緊閘命令，經(jīng)適當調(diào)試到達頻率的數(shù)值，即可實現(xiàn)帶式輸送機停住時剎車剛好抱緊的理想狀況。

（5）下運帶式輸送機超正功保護

下運帶式輸送機帶料運行時，電機工作于發(fā)電狀態(tài)，變頻器輸出功率為負值，帶式輸送機上物料很少或者空帶時，由于負載力小于摩擦力，電機工作于電動狀態(tài)，變頻器輸出功率為正值。這些都是正常工作狀態(tài)。為了最大限度保證下運帶式輸送機安全運行，每次停機前應先走完帶式輸送機上的物料后再停機，即每次帶式輸送機剛啟動后的一段時間輸送帶上的物料是由少到多逐漸增加的，變頻器輸出功率會從空帶時的數(shù)值（最大正功率值）隨物料的增多而逐漸下降到0，然后變?yōu)樨撝?，在負值方向上逐漸增大。如果帶式輸送機剎車因故沒有完全松開，即電機還要額外克服剎車盤的摩擦力，輸出功率必然加大，超過最大正功率值。因此，將變頻器輸出功率送入控制系統(tǒng)與最大正功率值進行比較，超過時報警停機，實現(xiàn)超正功保護，是具有實際意義的。

（6）保護功能的可靠性設計

保護功能動作時，往往意味著帶式輸送機停機，必然造成連續(xù)運輸?shù)闹袛啵o生產(chǎn)帶來干擾。但是為了保護設備和人身安全，降低設備磨損、沖擊，提高設備使用壽命，這些保護又是十分必要的。一些現(xiàn)場的保護裝置形同虛設、保護功能被棄置不用，不單單是使用者只顧生產(chǎn)不顧安全的問題，控制系統(tǒng)設計人員應深入分析保護功能的必要性、保護強度等問題，努力從技術上使投運的保護功能既會動作，又不會頻繁動作，提高保護功能的可靠性。首先要采用數(shù)字濾波濾除模擬信號干擾尖峰和噪聲，并判斷數(shù)據(jù)的真實性；其次，應在設備可允許的限度內(nèi)適當設置持續(xù)時間，以進一步確認故障；另外閾值設定應留有余量。譬如帶式輸送機打滑保護，低于速度閾值5%以內(nèi)的輕微打滑是可以允許長期存在的，若低于速度閾值10%，按標準應該立即保護，但為了進一步確認故障，仍然可以設定2s左右的持續(xù)時間，期間持續(xù)低于10%才執(zhí)行保護動作。按照以上策略設計的打滑保護功能，在很大程度上保證了保護動作的準確性，既能起到保護作用，又不至于誤動作。

3結(jié)語

帶式輸送機是煤礦井下煤炭運輸?shù)闹饕O備，其控制系統(tǒng)設計不能僅僅以滿足行標和基本運行要求為目標，應該充分發(fā)揮先進技術優(yōu)勢，設計出功能先進、保護完善的電氣控制系統(tǒng)，以提高帶式輸送機運行的安全性、可靠性和生產(chǎn)效率。

作者:秦玉忠 單位:中煤科工集團重慶研究院有限公司