丁鹏飞
（中煤科工集团上海有限公司，上海 200030）
矿用带式输送机是煤炭开采过程中重要的运输设备，主要由传动滚筒、驱动滚筒、驱动装置、皮带、机架等组成[1]，具有结构简单、运量大、运输效率高等优点。但在实际工作中，随着运输煤料和矸石的变化，输送机经常在满载和空载之间相互转换。传统的带式输送机不能灵活地改变输送带的转速，从而导致电能的大量消耗[2]。本文针对某煤矿带式输送机在运行过程中出现的满空载现象，以及张紧力不足、跑偏、打滑等故障引起的电能消耗过大、皮带故障等问题，对矿用带式输送机电控系统进行设计研究。设计相关电气系统，包括电机的速度调节、皮带的软启动、皮带的各项保护的实时监控等，实现电能的节省和皮带的稳定连续运行[3-4]。
矿用带式输送机的电气设计是要在符合煤矿安全标准的情况下最大限度地实现煤矿的自动化。在本设计中通过中央处理器完成对变频器的启动，实现对皮带的软启动，并连接多种传感器，实现皮带机快速安全地启动。
本次设计的电控系统的核心处理单元主要是西门子PLC-1200，其中主站PLC控制器负责完成皮带的软启动，通过连接堆煤、烟雾等传感器实现对皮带的运行保护。皮带中部设置的从站PLC与主站通过光纤连接，辅助完成对整机的保护控制。主站PLC还配有组态显示系统，实时显示皮带的速度、电机温度、堆煤、跑偏等数据。控制流程如图1所示。
图1 电控流程
2.1 PLC核心处理器的选择
主控制器选用西门子S7-1200系列的PLC，该PLC具有多路数字量和模拟量的输入输出口，集成有工业以太网、MPI等多种通信方式，还可以扩展其他输入输出模块和Modbus等通信模块，具有安全、稳定、可靠的输出，控制功能完备。本电控系统采用的西门子1214PLC具有8路I/O口输入通道和8路I/O口输出通道，还可以扩展模块，本系统中扩展了2个16路I/O口输入模块和1个16路I/O口输出模块、个485通信模块[5-7]。
2.2 相关模块的选型
鉴于井下相对于地面恶劣的工作环境，在对皮带机的配套设备进行选型时，第一考虑的原则是能够适应井下恶劣的工作环境，且具有稳定加防爆的特性。
在皮带的首尾两端配备跑偏传感器，对皮带的跑偏情况进行预警。在皮带的下料口配备了堆煤传感器，对皮带下料口的漏煤情况进行检测。各保护模块之间与主控制器之间通过控制电缆连接。对于电源模块，主控制器PLC使用的是24V开关电源和主控制器一起置于防爆外壳之内，对于皮带的沿线急停保护装置使用24V的本安电源进行供电。显示屏模块使用昆仑同态的工业触摸屏，可对皮带的主控制器和保护装置进行在线监控，实现人机交互。
2.3 变频器选型
本次设计要对皮带机进行软启动控制，并要实现对电机速度的可变控制。故采用变频电机和变频器进行控制，选择佳木斯变频电机[8-10]，可变频率为0～50Hz。选用ABB的ACS880变频器，对变频电机进行变频控制，从而实现皮带机的软启动和减速停车功能。相比于不采用变频器直接启动电机，采用变频器启动电机能做到启动更加平滑，启动电压不会波动太大而损伤电机。同时软启动电机缓慢加速到额定速度也是对皮带附近作业人员的一种保护。变频器的主要保护功能包括欠压保护、过压保护、瞬间过流、接地故障保护、过载保护、电机过温保护、信号丢失保护、缺相保护、超频保护。
2.4 电机选型
本次设计主要针对煤矿井下的皮带运行，因此在选择电机时一要性能稳定可靠，二要具有防爆功能。经过对比，选用矿用隔爆永磁同步变频电机，电机的额定功率为800kW，额定转矩为83043N·m，冷却方式为IC46W水冷，额定电压为1140V，额定转速为92r/min，调速范围为5～92r/min，工作转速为92r/min，启动转矩倍数为2倍。电机转子采用N38UH钕铁硼烧结永磁体，电机定子还要预埋三相PT100测温元件，采用开环同步矢量控制方式。
2.5 保护系统
对于皮带机的电控系统，必须设计保护系统。保护系统可以检测带式输送机头的堆煤、烟雾、速度、机头跑偏和温度等各种保护，以及电机的速度控制、前级闭锁控制。机头驱动滚筒处放置超温洒水保护装置，防止滚筒与皮带摩擦过热发生着火事故。机头到机尾每50m放置1台拉线急停装置，如果出现紧急情况，只要拉动钢丝绳或按下急停按钮，皮带机就能立即停止，保证生产安全。机头到机尾每100m放置1台智能语音电话，皮带开启时会自动预警，同时也能用于井下工作人员与地面通话[11-14]。在机尾处还安装有跑偏和纵撕传感器，对皮带的跑偏和纵撕进行保护。
本系统的程序设计主要是通过在PLC主控制器中编写程序实现皮带的启停动作，并处理皮带的各种故障保护传感器的信号，实现对皮带的故障急停保护。结合上位机人机界面改变变频器的频率对电机实现速度控制，主要控制结构如图2所示。
图2 电控原理
其中对皮带机的逻辑控制程序基本思想为先启动辅助电机，如油泵电机、风扇电机等。如无法正常启动控制器，则会收到相应的反馈信号，停止皮带机的启动，当正常启动辅助电机后，系统会停留几秒以做保护。然后开始启动变频器，启动电机，所有保护全部投入使用。皮带机的电控系统网络结构如图3所示，主要控制程序如图4所示。
图3 网络结构图
图4 设备主程序
在上位机人机交互界面组态系统中，设计相关界面实现对皮带机的各种保护进行监控，并配置远程启动、停止、急停信号对皮带机进行控制。在主控制器PLC中采集电机温度、皮带转速和电机电流。通过对返回数据参与控制的方式实现皮带控制。如果没有返回数据或者返回数据错误，系统就会报出故障，对皮带机实现急停控制。主控制器还对皮带沿线的保护数据进行采集，传输给上位机人机界面。上位机组态界面不仅要对皮带机启停进行控制，还要对皮带机的各种工作状态和保护状态进行显示。对皮带机的跑偏、纵撕、闭锁、打滑、超速、烟雾、拉线急停、电机温度过高和超温洒水状态进行显示。并对这些故障进行保存记录，以便对机器进行维修检查。当有故障发生时，组态界面还会滚动播报故障原因，方便有关人员进行处理。
分析矿用带式输送机的现状，发现在现行状态下皮带的保护措施不够完善，且不能灵活改变带速满足节能化的要求，提出通过变频电机和变频器结合控制的方法，实现对皮带的软启动控制和减速停车，有效降低了能源的浪费和停车撒料的问题。通过人机交互界面实现了对皮带保护的实时检测，提高了煤矿运输的安全性，为煤矿高效、节能、安全运输奠定了扎实的基础。
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