带式输送机电气控制系统的设计与应用

王中山

（山煤集团煤业管理有限公司， 山西 太原 030036）

引言

带式输送机作为煤矿企业的主要运输设备，承担着煤炭从工作面到地面的运输任务，而且随着近些年来采煤技术及工艺的进步，综采设备自动化水平的提升，带式输送机朝着大运量、长距离、大倾角以及多电机驱动的方向发展。为了确保带式输送机的运输能力及能够与工作面其他机电设备的生产能力相匹配的可靠性，要求其具有可靠性高、稳定性好的电气控制系统对其运行状态进行实时、准确、有效的控制[1]。本文将对带式输送机的电气控制系统进行设计并对其应用效果进行分析。

1 工程概况

本文以工作面年生产能力80 万t 的矿井为例，矿井工作面采用的运输设备能力仅为59.4 万t/年，加之运输系统还肩负着工作面排矸的任务。因此，针对工作面煤炭的运输能仅为45 万t/年，无法满足实际生产需求。因此，为全面提升综采工作面的产煤量及产煤效率，需将工作面所有设备的生产能力相配套[2]。故，需对工作面运输系统进行改造。

针对上述现状，拟将现有的运输系统改造为带式输送机运输系统。所安装的带式输送机的关键参数如表1 所示。

表1 改造后带式输送机关键参数

则，采用该带式输送机的年运输量计算如下：

式中：A为带式输送机的年运输能力，万t/年；b为每年工作日，取330 d；t为带式输送机每天运行时长，取16 h；B为带式输送机的运输能力，350 t/h；k2为运输系数，取1.2。

经核算，采用该带式输送机的纯运输能力为154万t/年，满足实际生产的需求。本文将以该型带式输送机为研究对象对其电气控制系统进行设计。

2 带式输送机电气控制系统的设计

2.1 电气控制系统的总体设计要求

带式输送机所应用于的区域为综采工作面，综采工作面的环境恶劣，粉尘、煤尘浓度较高。因此，鉴于此要求带式输送机的电气控制系统的可靠性较高。故，拟采用西门子公司的S7-300 系类的PLC 控制器为电气控制系统的核心，实现带式输送机的可靠控制[3]。带式输送机电气控制系统需实现以下功能：

1）实现对带式输送机打滑、撕裂、跑偏等故障的监测，还需对工作面煤尘、烟雾浓度进行实时监测。

2）实现对电气控制系统中变频器故障的监测，尤其对其过载、过热、欠电压、过电流的现象进行监测，一旦出现故障及时发出报警，进一步提升系统的可靠性。

3）基于电气控制系统的变频器根据输送带的实时运量对带速进行实时无级控制。

2.2 电气控制系统硬件的设计

2.2.1 PLC 的选型

鉴于综采工作面的环境相对恶劣，为保证电气控制系统的可靠性选用德国西门子公司S7-300 系列的PLC 及其主控装置。S7-300 系列PLC 控制器的主要技术指标为：CPU 型号为315-2PN/DP；本安供电压为：直流24 V。根据现场传感器、保护装置以及与上位机通讯需求，PLC 控制柜的配置如下页表2。

该电气控制系统能够实现对现场工作面带式输送机的远程控制、就地、检修、手动、慢动以及闭锁等六种工作方式。

2.2.2 变频的选型

变频器作为带式输送机电气控制系统中实现对带速无级控制的核心，鉴于其工作环节恶劣，且ACS800-04 型变频器已经被广泛应用于煤矿、电厂以及炼钢厂等领域，并获得好评。因此，带式输送机电气控制系统中选用可靠性较高的ACS800-04 型变频器对其带速进行无级控制[4]。此外，为ACS800-04型变频器配置IGBT 智能驱动技术和ABB 快速制动技术，保证功能的实现，提高系统的可靠性。

2.2.3 电气控制系统保护装置的选型

本电气控制系统选用KHP159 型保护装置实现对设备运行状态的实时监测，该保护装置能够实现对带式输送机的跑偏、撕裂、超温等故障的保护，其对应的传感器如表3 所示。

表2 PLC 控制柜配置

表3 KHP159 型保护装置传感器型号及功能

2.3 电气控制系统软件的设计

带式输送机电气控制系统主要实现对设备的软启动控制和综合保护和自检功能。当设备获得启动指令时，由电气控制系统对综合保护装置、制动闸、主变频器的状态进行监测，判断设备是否满足启动的要求[5]。

本节着重对带式输送机电气控制系统综合保护功能的实现进行设计。综合KHP159 型保护装置的功能要求并结合工作面现场的控制需求，设计如图1 所示的综合保护流程图。

如图1 所示，图中V1 为带式输送机主传动滚筒的实时速度，V2 为带式输送机输送带的实时速度，ε 为带式输送机带速的偏差率。

3 带式输送机电气控制系统的应用

将所设计的电气控制系统应用于改造后的带式输送机运输系统中，并对启动、正常运行、制动以及紧急停车等工况的应用情况进行验证，结果如下：

1）当带式输送机具备启动条件后，向变频器发出启动制动，其频率由0 逐渐达到50 Hz，在空载状态下输送带速度逐渐达到4.5 m/s；

2）当设备启动完成后，由于物料下放导致电机产生制动转矩，但在变频器及PLC 控制的基础上，能够保证输送带稳定在4.5 m/s 的状态下运行。

3）当变频器接收到停机指令后，待输送带上的物料全部被卸载后，其电机频率由50 Hz 逐步减小，并按照预先设定的减速曲线停机，最终实现闸瓦抱闸。

4）当系统检测到设备出现跑偏、纵撕裂、超温以及堆煤等故障时，变频器得到停机指令，其电机频率由50 Hz 逐步减小，并按照预先设定的减速曲线停机，最终实现闸瓦抱闸。

图1 电气控制系统综合保护软件流程图

4 结语

带式输送机作为当前工作面的主要运输设备，与具有优势明显的运输能力，即采用带输送机能够明显提升工作面的采煤效率。此外，电气控制系统作为设备可靠运行的保障之一，根据现场生产需求设计PLC 加变频器的控制系统，在满足日常运输任务的同时，实现对设备跑偏、纵撕裂、堆煤等故障的保护，并对应用后启动、制动、正常运行以及紧急停车工况的效果进行验证，取得不错的效果。