礦用帶式輸送機(jī)電氣控制保護(hù)功能淺議

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摘要：簡(jiǎn)要介紹了礦用帶式輸送機(jī)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的七大保護(hù)功能，針對(duì)變頻調(diào)速和PLC控制技術(shù)已廣泛在煤炭行業(yè)應(yīng)用的事實(shí)，分析了帶式輸送機(jī)重載啟動(dòng)、張緊保護(hù)、功率平衡、剎車(chē)控制和超正功保護(hù)等涉及帶式輸送機(jī)安全性和可靠性的多種重要控制保護(hù)功能的必要性并給出實(shí)現(xiàn)方法，最后介紹了保護(hù)功能的可靠性設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：控制；保護(hù)；變頻調(diào)速；功率平衡

1帶式輸送機(jī)常規(guī)七大保護(hù)功能

按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT872-2000《煤礦用帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)條件》,帶式輸送機(jī)常規(guī)七大保護(hù)功能為打滑、跑偏、堆煤、超溫灑水、煙霧、撕帶和急停保護(hù)。MT872-2000作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是保障礦用帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行的最低要求。但因受年代版本限制，不能反映20a來(lái)PLC控制和變頻調(diào)速已廣泛應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步，因此，一線(xiàn)設(shè)計(jì)工程師不能僅僅局限于滿(mǎn)足行標(biāo)，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮新技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更多控制保護(hù)功能，使帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)更加安全、可靠。

2帶式輸送機(jī)控制保護(hù)功能探討

（1）張緊保護(hù)

帶式輸送機(jī)依靠輸送帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間摩擦力進(jìn)行能量傳遞，摩擦力與輸送帶的張緊力、驅(qū)動(dòng)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?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控張緊力信號(hào)，當(dāng)張緊力低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警是很有必要的。大中型帶式輸送機(jī)往往采用液壓自動(dòng)張緊裝置，其輸出油缸的壓力代表張緊力，該信號(hào)送入控制系統(tǒng)，將張緊油壓高于設(shè)定值作為帶式輸送機(jī)允許啟動(dòng)的條件之一，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)張緊油壓低于設(shè)定值時(shí)可設(shè)計(jì)為只報(bào)警不停機(jī)。

（2）帶料重載啟動(dòng)

采用除變頻器以外的軟啟動(dòng)裝置（如液力耦合器、液黏軟啟動(dòng)器等）的帶式輸送機(jī)，由于電機(jī)在低速段的輸出轉(zhuǎn)矩下降嚴(yán)重，不能實(shí)現(xiàn)帶料啟動(dòng)，甚至不能直接空載啟動(dòng)。因此，帶式輸送機(jī)帶料運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)保護(hù)停機(jī)時(shí)，保護(hù)信號(hào)恢復(fù)正常后仍不能立即啟動(dòng)帶式輸送機(jī)，必須人工將帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)物料卸下來(lái)后才可以重新啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后再將堆放在輸送帶沿線(xiàn)的物料鏟裝到帶式輸送機(jī)上。嚴(yán)重消耗人力和時(shí)間，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率嚴(yán)重不足。帶式輸送機(jī)越長(zhǎng)這種問(wèn)題越嚴(yán)重。為了減輕這種困擾，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)電氣設(shè)備從電機(jī)到變壓器的設(shè)計(jì)容量被顯著加大，帶式輸送機(jī)七大保護(hù)功能在現(xiàn)場(chǎng)往往形同虛設(shè)。這些非正常措施帶來(lái)其他諸多問(wèn)題，譬如多占電力資源、電氣設(shè)備效率低、帶式輸送機(jī)帶病運(yùn)行等，尤其是通過(guò)犧牲安全保障來(lái)促進(jìn)連續(xù)生產(chǎn)的做法無(wú)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(mǎn)足帶式輸送機(jī)帶料重載啟動(dòng)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(guò)坐標(biāo)變換將電機(jī)定子繞組電流解耦為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流并分別獨(dú)立控制，使交流感應(yīng)電機(jī)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(jī)從零速到設(shè)定速度的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)一直可以輸出高于額定的輸出力矩，保障帶式輸送機(jī)在設(shè)計(jì)運(yùn)量范圍內(nèi)滿(mǎn)載啟動(dòng)。而且啟動(dòng)加速時(shí)間可根據(jù)帶式輸送機(jī)大小適當(dāng)設(shè)置，使啟動(dòng)過(guò)程十分平穩(wěn)。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中曾實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)滿(mǎn)載啟動(dòng)電流峰值不超過(guò)電機(jī)額定電流的2倍。綜上所述，軟啟動(dòng)和帶料重載啟動(dòng)宜作為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的基本功能。

（3）多電機(jī)功率平衡控制

大型帶式輸送機(jī)往往采用雙電機(jī)或多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如果傳動(dòng)系統(tǒng)不具備各電機(jī)之間的功率平衡調(diào)節(jié)能力，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中由于各種擾動(dòng)因素的干擾，會(huì)不時(shí)發(fā)生幾臺(tái)電機(jī)之間出力不均現(xiàn)象。該現(xiàn)象一旦發(fā)生，則會(huì)朝著越來(lái)越不均的方向惡化，直至其中一臺(tái)電機(jī)因嚴(yán)重過(guò)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(dòng)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)之間出力均衡應(yīng)成為多電機(jī)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)必須具備的功能。以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例說(shuō)明功率平衡控制原理，功率平衡控制原理接線(xiàn)圖如圖1所示。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)2臺(tái)電機(jī)一般同時(shí)配置于帶式輸送機(jī)機(jī)頭（上運(yùn)輸送帶）或機(jī)尾（下運(yùn)輸送帶）。它們對(duì)應(yīng)的2臺(tái)變頻器應(yīng)配置于同一電氣室內(nèi)互相靠近；2臺(tái)電機(jī)和對(duì)應(yīng)的變頻器分別定義為主電機(jī)、主變頻器和從電機(jī)、從變頻器；主變頻器設(shè)置為速度控制模式，從變頻器設(shè)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(shè)置為速度給定通道，控制系統(tǒng)將設(shè)定速度值轉(zhuǎn)換為4~20mA信號(hào)送入該通道，主變頻器運(yùn)行過(guò)程中按照該設(shè)定值自動(dòng)控制帶式輸送機(jī)速度；其模擬量輸出口AO1設(shè)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(shè)置為從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定；從變頻器運(yùn)行過(guò)程中按照該給定值自動(dòng)控制輸出轉(zhuǎn)矩。這樣就實(shí)現(xiàn)了從變頻器自動(dòng)跟隨主變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使主、從電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩保持一致。通俗講就是2臺(tái)電機(jī)出力相同，因?yàn)樗鼈兊乃俣仁谴笾孪嗤?，所以輸出功率也相同。?shí)際工程中注意以下問(wèn)題：①注意設(shè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)質(zhì)量的唯一可設(shè)定參數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)試確定；②盡量采用如圖1所示硬接線(xiàn)的4~20mA信號(hào)進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞，因?yàn)檫@是相對(duì)于數(shù)據(jù)通信模式和其他信號(hào)制而言抗干擾能力最強(qiáng)的信號(hào)傳遞方式。如果3臺(tái)或3臺(tái)以上電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)論這幾臺(tái)電機(jī)布置于帶式輸送機(jī)何種位置，仍然按一主多從模式設(shè)置，以保證帶式輸送機(jī)給定速度唯一。幾千米以上的大型帶式輸送機(jī)可能機(jī)頭、機(jī)尾或帶式輸送機(jī)中部設(shè)計(jì)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，鑒于變頻器應(yīng)當(dāng)相對(duì)于電機(jī)就近布置，因此各變頻器之間距離較遠(yuǎn)，此時(shí)只能采用數(shù)據(jù)通信模式進(jìn)行信號(hào)傳遞，為了提高數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定可靠性，變頻器應(yīng)當(dāng)增配光電轉(zhuǎn)換接口，采用光纖介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

（4）下運(yùn)帶式輸送機(jī)剎車(chē)控制

下運(yùn)帶式輸送機(jī)剎車(chē)裝置是影響帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行的重要設(shè)備，結(jié)合變頻器和PLC等先進(jìn)設(shè)備，精確控制剎車(chē)對(duì)提高下運(yùn)帶式輸送機(jī)安全、減少剎車(chē)磨損等有諸多直接或間接益處。下運(yùn)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，理想狀況是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值時(shí)剎車(chē)剛好完全松開(kāi)；帶式輸送機(jī)停車(chē)時(shí)，理想狀況是帶式輸送機(jī)停住時(shí)剎車(chē)剛好完全抱緊。由于液壓站控制的盤(pán)形閘裝置從發(fā)出松閘信號(hào)到剎車(chē)完全松開(kāi)需要數(shù)秒時(shí)間，而使用矢量控制型變頻器時(shí)電機(jī)從獲得啟動(dòng)信號(hào)到輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值的時(shí)間一般不會(huì)超過(guò)0.1s。因此，帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)應(yīng)首先松開(kāi)剎車(chē)，延時(shí)數(shù)秒等待剎車(chē)幾乎完全松開(kāi)后再啟動(dòng)電機(jī)，具體時(shí)間應(yīng)反復(fù)觀(guān)察剎車(chē)動(dòng)作時(shí)間并經(jīng)反復(fù)調(diào)試后確定。帶式輸送機(jī)停車(chē)過(guò)程中，變頻器輸出頻率是按設(shè)定的減速時(shí)間從50Hz線(xiàn)性下降到0。如果等到輸出頻率下降到0時(shí)才發(fā)出緊閘命令，可能會(huì)發(fā)生溜車(chē)現(xiàn)象；如果剛發(fā)出停車(chē)命令時(shí)（此時(shí)帶式輸送機(jī)速度沒(méi)有明顯下降）就發(fā)出緊閘命令，則會(huì)發(fā)生帶式輸送機(jī)在剎車(chē)閘緊的狀態(tài)下被電機(jī)硬性拖動(dòng)現(xiàn)象。為此利用變頻器多功能輸出端口，設(shè)定其中一路信號(hào)為頻率到達(dá)信號(hào)，當(dāng)變頻器減速過(guò)程中頻率下降到設(shè)定的頻率值時(shí)該信號(hào)由斷開(kāi)變?yōu)榻油?，利用該頻率到達(dá)信號(hào)控制剎車(chē)裝置發(fā)出緊閘命令，經(jīng)適當(dāng)調(diào)試到達(dá)頻率的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)停住時(shí)剎車(chē)剛好抱緊的理想狀況。

（5）下運(yùn)帶式輸送機(jī)超正功保護(hù)

下運(yùn)帶式輸送機(jī)帶料運(yùn)行時(shí)，電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，變頻器輸出功率為負(fù)值，帶式輸送機(jī)上物料很少或者空帶時(shí)，由于負(fù)載力小于摩擦力，電機(jī)工作于電動(dòng)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(yùn)帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行，每次停機(jī)前應(yīng)先走完帶式輸送機(jī)上的物料后再停機(jī)，即每次帶式輸送機(jī)剛啟動(dòng)后的一段時(shí)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(huì)從空帶時(shí)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?fù)值，在負(fù)值方向上逐漸增大。如果帶式輸送機(jī)剎車(chē)因故沒(méi)有完全松開(kāi)，即電機(jī)還要額外克服剎車(chē)盤(pán)的摩擦力，輸出功率必然加大，超過(guò)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(jìn)行比較，超過(guò)時(shí)報(bào)警停機(jī)，實(shí)現(xiàn)超正功保護(hù)，是具有實(shí)際意義的。

（6）保護(hù)功能的可靠性設(shè)計(jì)

保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)，往往意味著帶式輸送機(jī)停機(jī)，必然造成連續(xù)運(yùn)輸?shù)闹袛啵o生產(chǎn)帶來(lái)干擾。但是為了保護(hù)設(shè)備和人身安全，降低設(shè)備磨損、沖擊，提高設(shè)備使用壽命，這些保護(hù)又是十分必要的。一些現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)裝置形同虛設(shè)、保護(hù)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(wèn)題，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入分析保護(hù)功能的必要性、保護(hù)強(qiáng)度等問(wèn)題，努力從技術(shù)上使投運(yùn)的保護(hù)功能既會(huì)動(dòng)作，又不會(huì)頻繁動(dòng)作，提高保護(hù)功能的可靠性。首先要采用數(shù)字濾波濾除模擬信號(hào)干擾尖峰和噪聲，并判斷數(shù)據(jù)的真實(shí)性；其次，應(yīng)在設(shè)備可允許的限度內(nèi)適當(dāng)設(shè)置持續(xù)時(shí)間，以進(jìn)一步確認(rèn)故障；另外閾值設(shè)定應(yīng)留有余量。譬如帶式輸送機(jī)打滑保護(hù)，低于速度閾值5%以?xún)?nèi)的輕微打滑是可以允許長(zhǎng)期存在的，若低于速度閾值10%，按標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該立即保護(hù)，但為了進(jìn)一步確認(rèn)故障，仍然可以設(shè)定2s左右的持續(xù)時(shí)間，期間持續(xù)低于10%才執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。按照以上策略設(shè)計(jì)的打滑保護(hù)功能，在很大程度上保證了保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，既能起到保護(hù)作用，又不至于誤動(dòng)作。

3結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)是煤礦井下煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能僅僅以滿(mǎn)足行標(biāo)和基本運(yùn)行要求為目標(biāo)，應(yīng)該充分發(fā)揮先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出功能先進(jìn)、保護(hù)完善的電氣控制系統(tǒng)，以提高帶式輸送機(jī)運(yùn)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(tuán)重慶研究院有限公司