浅谈智能控制系统在煤矿井下皮带运输机上的运用

浅谈智能控制系统在煤矿井下皮带运输机上的运用摘要本文浅析煤矿井下皮带运输机运用智能控制系统硬件构成及功能、智能控制方法、PLC与变频器的信号连接方式，以及PLC控制系统软件设计等。关键词矿井；皮带运输机；智能控制系统；功能1引言皮带运输机在煤矿的应用非常广泛，如今即使中小型矿井也都运用上了皮带机运输。而不少皮带运输机都实现了变频控制。由无速度传感器矢量控制的防爆变频器与交流异步电动机，共同构成了交流变频拖动系统，这也是目前符合井下皮带运输机拖动要求，且价格适中，便于推广应用的最佳拖动设备。因井下的特殊生产条件，皮带运输系统的运煤量也是不均匀的，在负载较轻或无负载时，皮带运输机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也比低速运行时也大得多，有时因生产的需要，皮带运输机系统又不能随时停车。作为井下皮带运输机智能控制系统，它能根据负载的大小实现实时控制拖动电动机加减速，使皮带机始终处于最佳运行状态。由于系统适应煤量随时变化的问题，显然能大大节约电能，降低皮带运输系统的设备损耗，延长设备使用寿命。2智能控制系统硬件构成及功能1）系统结构。皮带运输机智能控制系统，是由控制装置、变频器、执行电动机等组成的，其中控制装置由可编程序控制器PLC、AD及DA转换模块等组成；变频器由隔爆壳主腔，隔爆接线腔、本安控制腔、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。负载电流信号，来自各驱动皮带机变频器的电流反馈信号（见图1）。2）控制系统功能。井下皮带运输机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，而每个驱动滚筒则由单一的电动机拖动。控制器PLC可实现功率平衡、起动信号给定、速度控制与给定、与其他控制器通信、数据采集和集控等功能；变频器具有故障自诊断及反馈、运行状态反馈、电流反馈、无速度传感器矢量控制、加减速时间、S形曲线任意可调等功能；变频器还具有过载、过流、漏电、断相、欠压、过压等多相保护功能以及PID控制器选件和工变频转换系统。图1皮带机智能变频调速控制系统硬件框图3）控制系统适应性选择。井下多使用660V1140V级供电电压，其供电装置外壳防护等级至少为IP44以上，而市场上的变频器多为IP23以下。由于井下环境条件又比较恶劣，所以选用ZJT系列防爆（兼本质安全型）型式变频器就能适应此环境的应用。变频调速采用无速度传感器矢量控制方式，它具有动态高速响应、低频转矩大、控制灵活等优点，并能满足宽范围变频调速和转矩大的要求。在电动机频率的调整控制上，可根据现场的工况的实际需要，以无级调速的方式设定好实际需要的参数值（即频率速度值），以达到精确地适应所需频率速度功率的输出的要求。若现场工况发生变化时，可随时用本质安全型参数程序控制器（键盘或CCS）来修改参数，以适应新场合的要求。3智能控制方法1）控制目标。皮带机智能控制系统，通过对前级皮带机、本级皮带机的负载进行分别测量，并将采集到的负载电流信号进行比较和运算处理，输出模拟控制信号给变频器，预置变频器的基准速度，从而实时调节电动机的速度，实现皮带机自动调速智能控制，使皮带机始终处于最佳速度运行状态。2）智能控制方法。为满足易爆等危险场合下控制电动机的软起动、软停车及宽范围、恒转矩变频调速控制功能，可采用ZJT30隔爆兼本安变频器对本级和前级皮带运输机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与软停车。运用三菱公司的FX2N系列PLC及AD、DA模块组成控制装置。由PLC通过AD模块集中采集本级和前级皮带运输机四台驱动电动机的负载电流信号（变频器的电流反馈信号），经控制软件处理、计算后，再由DA模块输出控制信号，预置变频器的基准速度，控制变频器以相应的频率驱动皮带运输机，从而完成系统的自动变频调速控制；与此同时实现多电机驱动、多皮带运行的自动功率平衡调节功能。系统的控制可采用防爆控制箱远程控制，同时具有胶带带速显示、报警、自动手动切换及验带功能，手动控制可以保证控制器在故障情况下的运行，验带功能实现运输机的低速验带。在变频器故障或跳脱时会引起较大的停机损失或其他意外的故障发生，工变频转换系统则可保证运行安全。控制系统具有网络通信功能，可实现远程监测与控制，实现节能、高效运行。智能控制系统的软起动、软停车问题。皮带运输机本身就是一个弹性体，在带负载运行时又具备极大的惯性，所以起动加速度与停车减速度的值越大，在皮带上存储的能量就越大，而释放这些能量就会对输送机机械系统产生极大的冲击。防爆变频器的起动、停止时间是任意可调的，为了平稳起动，还可匹配其具备的S形加减速时间，这样可将皮带运输机起停时产生的冲击减至最小。智能控制系统的无速度传感器的矢量控制问题。为实现宽范围调速过程中能保证驱动电动机的输出转矩，变频调速装置采用无速度传感器矢量控制方式。其基本控制思想是根据输入的电动机参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流进行检测，并通过控制电动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致，并输出转矩，从而实现矢量控制目标。实现精确的磁场定向矢量控制，需要在异步电动机上安装精密的测速装置，而井下皮带运输机上安装测速装置很困难，也增加了系统的维护量。运用无速度传感器的控制系统，无需检测硬件，省掉速度传感器带来的弊端，提高了系统的可靠性、降低了系统的成本。采用此控制，系统体积小、重量轻，并减少了许多连线。同时，频率控制在150HZ范围内时,电动机转矩均保持在150额定转矩。运输过程中任意一刻都能立即停车再重新起动，所以满足“重载起动”能力很关键。采用此无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出152倍额定转矩，就非常适用于“重载起动”。皮带机多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，为保证系统内的同步性能，机头的各滚筒应同步起停，若某一电机故障时能系统停机，又能保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平衡。通过调整相应两变频器的速度给定，即可调整两电动机之间的速度差，从而任意增大或减小两驱动电动机的电流差值的大小。通过调整各电动机的速度，使各电机电流值逐步趋于平衡，使之形成一个动态的功率平衡系统。4PLC与变频器的信号连接方式可编程序控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术、通信技术为一体的新型自动控制装置。因其体积小、可靠性高及组态灵活等优点，在工业控制领域应用比较广泛。在此利用变频器构成自动控制系统进行控制时，用PLC可提供控制信号（如速度）和指令通断信号（起动、停止、反向）。变频器的输入信号中包括对运行停止、正转反转、点动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器利用继电器触点或具有继电器触点开关特性的元器件与上位机连接，获取运行状态指令。变频器中频率信号的输入为模拟输入。模拟输入通过接线端子由外部给定，通过010V/5V的电压信号输入。由于接口电路因输入信号而异，必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。5PLC控制系统软件设计皮带运输机智能控制系统的控制装置由可编程序控制器PLC、A/D及DA转换模块等组成，控制功能主要由PLC实现。控制系统软件由梯形图程序实现，程序主要包括显示刷新、负载信号采集、控制运算及控制输出等部分。控制装置部分具有自诊断A/D及DA转换模块工作状态的功能。当A/D及DA转换模块出现故障时，控制器控制显示仪表进行故障显示。ZJT系列变频器有就地手动和远程控制两种方式，两种方式的切换由内部参数设置决定。变频器具有故障自诊断功能，能实时将故障信号传输给控制装置。当系统出现故障时，变频器将故障信号传输给控制器，控制器则输出故障报警信号及停车信号。控制运算部分是整个控制梯形图程序的主要部分。PLC根据本级皮带负载电流I1和前级皮带负载电流I2通过计算，输出控制电压信号给变频器，预置变频器的速度基准，从而自动调节皮带机的运行速度。控制运算部分设置三个运算模块电流负载运算模块，由反馈的定子电流来找出对应的负载的大小。负载速度运算模块，根据模块一计算出的负载的大小来计算电动机的最佳运行速度。速度频率运算模块，根据模块二计算出的最佳运行速度计算出输出控制频率。系统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结语井下皮带运输机智能控制系统，不仅实现了皮带机的软起动、软停车，而且也实现了皮带机的实时变频调速控制，并充分发挥了变频器的调速功能和电动机的性能。它在很大程度上降低了皮带机运输系统的电能消耗，减少了设备的机械磨损，延长了输送带的使用寿命，提高了皮带机的运行安全系数。由可编程序控制器、AD模块等组成的智能控制系统，具有可靠性高、抗干扰能力强、程序柔性强、扩充