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矿用井下皮带运输机智能控制系统

发布时间:2021-01-22 13:41:44 |来源:网络转载

1.绪论
带式输送机是现代煤矿高产高效的主要输送设备。防爆变频器采用无速度传感器矢量控制,与交流异步电机组成交流变频拖动,是目前井下输送带拖动要求和价格适中的最佳拖动设备。
因煤矿的特殊生产条件,皮带运输车的运煤量并不均匀,载重轻、不载重时,皮带运输车的高速运行对机械传动系统造成了极大的损耗,同时由于生产需要,耗电也较低速度运行时大得多,但皮带运输车系统却不能随时停下来。根据井下皮带机输送系统的具体情况和要求,研制开发井下皮带机智能控制系统。该系统根据负载的大小实时控制拖动电机的加速或减速,从而使皮带机达到最佳工作状态。适用于煤量随时间频繁变化的系统,能极大地节省电力,减少皮带输送系统的设备损耗,延长设备使用寿命。
2.输送机智能控制系统的硬件构成。
输带机的智能控制系统由控制装置、变频器、驱动电机等部分组成。其控制单元包括可编程程序控制器PLC、A/D和D/A转换模块,变频器由隔爆壳主腔体、隔爆接线腔、本安控腔、变频调速控制系统、程序参数控制器(键盘或CCS)操作台等组成。负荷电流信号来自于各驱动皮带机变频器输出的电流反馈信号。
矿井皮带输送机系统多采用双辊驱动或多辊驱动,每一个驱动辊由单个电机拖动。控制PLC可以实现功率平衡,给定启动信号,给定转速控制,与其它控制器通讯,数据采集和集控等功能。它具有故障自诊断和反馈,工作状态反馈,电流反馈,无速度传感器矢量控制,加减速时间,S曲线可任意调节等功能和特点。此外,变频器还具有过载、过流、漏电、断相、欠压、超压等多种相位保护功能,PID控制器可实现工频/工频转换。
矿井供电电压660V/1140V,与目前市场上广泛使用的380V交流变频器不一样,大量使用在地下煤矿。此外,煤矿井下用电设备的保护等级至少为IP44以上,目前市场上的变频器多为IP23以下。根据井下实际情况,选用ZJT系列防爆变频器,它既是矿井的隔爆型,又是本质安全型。无速度传感器矢量控制方式实现了变频调速,动态高速响应,低频转矩大,控制灵活,满足了宽幅变频调速和大转矩的要求。电机频率的调节控制,应根据现场工况的需要,采用无级调速的方式,设定好实际需要的参数值,即频率/速度值,以达到精确适应输出所需的频率/速度/功率。在现场条件改变时,可随时通过本质安全型参数程序控制器(键盘)(CCS)对其参数进行修改。
3.带式输送机智能控制系统控制方案
矿井皮带机智能控制系统通过对前级皮带机和本级皮带机负载的分别测量,将采集到的负载电流信号进行比较和运算,向变频器输出模拟控制信号,并预先设定变频器的基准速度,从而实时调整电机速度,实现皮带机自控速度的智能控制,使皮带机始终按最佳速度运行。
本带式输送机智能控制系统的具体控制方案如下:
为满足易燃易爆及其他危险场合控制电动机软起动、软停用及宽幅、恒转矩变频调速控制功能,采用ZJT-30隔爆兼本安变频器,对本级和前级输送带上的四台交流电动机进行驱动控制,变频器可实现电动机的软起动和软停用。
选择三菱FX2N系列PLC系列和A/D、D/A等模块构成控制装置。通过PLCA/D模块,集中采集本级和一级输送机四台驱动电机的负载电流信号(变频器的电流反馈信号),经控制软件处理、计算后,由D/A模块输出控制信号,预置变频器基准转速,控制变频器以相应频率驱动输送机,完成输送机的自动变频控制;可实现多电机驱动、多皮带运行的自动功率平衡调节功能。
系统的控制采用遥控防爆控制箱防爆,同时具有带速度显示、报警、自动/手动切换和验带功能,保证了控制器在发生故障时能正常工作,验带功能实现运输机低速验带。
当变频器发生故障或跳闸时,会造成较大的停机损失,或出现其它意外故障,工频变换系统可确保运行的安全性。
控制系统具有网络通讯功能,可以进行远程监控和控制,从而达到节能、高效运行的目的。
3.1软启动,软停止特性。
在输送带传动系统中,软启动和软停止特性是首选的目标。传送带本身是一种弹性体,在带负荷运行时又具有极强的惯性,传送带运输机启动加速度与停止减速之间的数值越大,在传送带上储存的能量就越大,释放出来的能量将对传送带机械系统产生巨大的冲击。防爆炸变频器的启动、停止时间任意可调,即在启动和停止过程中,加速度和减速任意可调,同时,为了使启动更加平稳,还可配以其具有的S形加减速时间,使皮带输送机在启动和停止过程中产生的冲击降到最小。
3.2向量控制不测速。
为保证驱动电机在大范围调速时的输出转矩,变频调速装置采用无速度传感器矢量控制方式。无测速传感器矢量控制的基本思想是根据输入电机的参数,按一定的关系式分别检测励磁电流和转矩电流,并通过控制电机定子绕组电压的频率,使励磁电流和转矩电流的指令值检测达到一定的一致性,进而输出转矩。在异步电机上安装精密的速度测量装置,实现磁场定向的精确控制,但在井下皮带输送机上安装速度测量装置却比较困难,同时还会增加系统的负荷。由于没有速度传感器,控制系统不需要硬件检测,大大减轻了速度传感器带来的各种麻烦,提高了系统的可靠性,降低了系统的成本;此外,由于体积小,重量轻,减少了电机和控制器之间的连接。它的控制电机转矩在1~50赫兹范围内均保持150%额定转矩。
输送带在输送煤炭的过程中,任何时刻都有可能立即停止,重新启动,因此必须考虑“重负荷启动”能力。此外,由于采用无速度传感器的矢量控制方式,低频运行时能输出1.5~2倍额定转矩,所以最适合“重负荷启动”。
矿用胶带输送机系统多采用双辊驱动或多辊驱动,为了保证系统内部的同步性能,首先要求位于机头的各辊应同步起停,某一电动机出现故障时系统应停止工作,同时要尽量保证各辊之间的功率平衡,以保证系统的输送能力。该方法通过调节两台变频器的转速来调节两台电机的速度差,从而任意增大或减小两台驱动电机的电流差。该系统通过调节各电机的转速,使各电机的电流逐渐趋于平衡,从而形成动态功率平衡系统。

4.PLC与变频器信号相连。
可编程序控制器(PLC)是一种集计算机技术、自动控制技术和通讯技术于一体的新型自动控制设备。PLC以其体积小、可靠性高、配置灵活等优点,在工业控制领域得到了广泛的应用。采用变频器组成自动控制系统时,可编程控制器可以提供控制信号(如速度)和指令引导信号(启动、停止、反转)。
转换器的输入信号包括开关型指令信号(数字输入信号),它可以在运行/停止、正转/反转、点动等运行状态下进行操作。转换器通过继电器接点或具有继电器接点开关特性的元件(例如晶体管)与上位机连接,获得工作状态指示。
频率信号在转换器中的输入是模拟输入。模拟器的输入是通过接线端子,由外部给定,通过0~10V电压信号输入的。因为输入信号不同,接口电路也不同,所以PLC的输出模块必须根据变频器的输入阻抗来选择。
5.PLC控制系统软件的开发。
输送机智能控制系统由PLC、可编程程序控制器PLC、A/D和D/A、转换模块等组成,PLC主要实现控制功能。利用梯形图编程实现了控制系统的软件,程序主要包括显示刷新,负载信号采集,控制操作,控制输出等。
在控制单元部分,实现了对A/D和D/A转换模块工作状态的自诊断。在A/D和D/A转换模块发生故障时,控制器控制显示仪表显示故障。ZJT系列变频器有现场手动和遥控两种方式,通过内部参数设置,实现两种方式的切换。具有故障自诊断功能的变频器,可实时向控制装置传送故障信号。在系统发生故障时,变频器向控制器传递故障信号,控制器输出故障报警信号和停止信号。
操纵操作部分是整个操纵梯形图程序的主体。可编程控制器根据上位机皮带负载电流I1和上位机负载电流I2通过计算,向变频器输出控制电压信号,并预先设定变频器速度基准,从而自动调整变频器运行速度。控制器操作部分主要分为三大操作模块:
电流-负载操作模块,根据反馈定子电流计算出相应负载的大小;
负荷-速度操作模块,根据模块一计算出的负荷大小,计算出电机的最佳运行速度。
速度-频率操作模块,根据模块二计算出的最佳运行速度,计算出输出控制频率。
在电流 - 负载运算模块,对本级皮带的定子电流进行积分,可以计算出一段时间间隔内定子电流的平均值。对于上级皮带所检测的定子电流进行分段处理。将上级皮带定子电流值的变化范围分成五段:I0,I1,I2,I3,I4,电流值依次增大,即I0< I1< I2< I3<I4 。当检测到的上级皮带的定子电流 I 大于 I3或 I4 时,给出一个加速预警信号,使输出频率控制信号延迟一段时间后适当增加一定值;当检测到的上级皮带的定子电流 I 小于 I0 或I1 时,给出一个减速预警信号,使输出频率控制信号延迟一段时间 t 后适当减少一定值;当检测到的上级皮带的定子电流 I 在 I2 附近变化时,不给出预警信号。综合本级皮带负载电流 I1和前级皮带负载电流I2 的变化情况,输出相应的控制信号给变频器,预置变频器的基准速度,从而调节电动机的运行速度,使其处于最佳运行状态。

6.结语
针对矿井皮带机输送系统的实际情况,研制开发了井下皮带输送智能控制系统。在此基础上,实现了皮带机的软启动、软停止,并对皮带机进行实时变频调速控制,充分发挥了变频器的调速功能和电机的性能。该系统极大地降低了皮带机运输系统的能耗,减少了设备的机械磨损,延长了皮带机的使用寿命,提高了皮带机的运行安全系数。采用可编程序控制器、A/D模块等构成智能控制系统,具有可靠性高,抗干扰能力强,程序灵活,便于扩展等特点。此外,该控制系统还具有电机多项保护,自诊断监测,网络集成接口等功能。因此,矿山井下输送带智能控制系统功能强大,保护措施完善,必将给用户带来巨大的利益,具有广阔的应用前景。

 

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