基于变频驱动的刮板输送机智能控制系统研究_张霞.pdf

基于变频驱动的刮板输送机智能控制系统研究张霞（汾西矿业集团矿山设备租赁分公司，山西介休032000）摘要：分析了刮板输送机智能控制系统结构组成、智能控制方案及关键技术等，并在山西某矿进行了应用。结果表明，通过采用智能控制系统，可实现刮板输送机软启动、智能调速、运行状态监测以及故障预警等功能，同时降低设备磨损及能耗。关键词：刮板输送机变频器智能控制故障监测煤量监测节能降耗中图分类号：TD634.2文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0189-02引言现阶段刮板输送机驱动多为“双速电机、组合开关、减速器”或者“电动机、组合开关、减速器、液力偶合器”方式，上述方式无法实现减速器油温、电机温度监测且不具备保护闭锁功能1-3。传统刮板输送机控制方式存在下述主要问题4-8：启动速度快，容易产生较大的电气以及机械冲击，给供电电网稳定性以及设备运行可靠性带来影响；刮板输送机恒速运行、无功功率较大，导致电能利用率偏低、能耗较高；无法实现有效监测及保护，刮板链持续较高张紧力，容易出现较大变形。智能化矿山是矿井发展的主要趋势，可提升矿井生产效率并减少作业人数9。智能化矿山建设的重要组成是实现运输系统智能化，刮板输送机是采掘作业面主要运输设备，实现刮板输送机智能化控制可明显提升设备运行效率。1刮板输送机智能控制系统组成1.1系统硬件结构组成系统组成包括高压变频、智能控制两部分，具体组成如图 1 所示。变频器为 BPJV-21250/3.3，供电用 2 500 kVA移动变电站，可对机头、机尾电机主-从联合控制或者单独启停控制；变频器间通过 CAN总线通信。智能控制系统包括地面云端服务器、操作箱（CXJ127S）、煤量检查传感器、振动传感器、数据采集箱以及液压张紧控制器等构成；操作箱与变频器、监测传感器以及液压张紧控制器等采用 CAN 总线方式连接，通过以太网方式获取煤量检测结果；地面云端服务器通过井下环网获取操作箱数据并对相关数据进行显示、分析。1.2智能控制方案1）刮板链条自动张紧控制。刮板输送机启动时，液压张紧系统张紧链条，后启动刮板输送机；在停机时先停止变频器，后降低张紧力。2）煤量监测。用激光扫描仪检测煤量，结果通过以太网传输给操作箱，操作箱分析煤量确定最佳速度；将速度调节信号传输给变频器实现智能调整。3）驱动装置监测。在驱动位置旁布置数据采集箱，获取减速器或者电动机内 PT100 温度传感器数据；数据采集箱将监测结果传输给操作箱，实现驱动装置运行状态监测。4）振动监测。在驱动电机底座处安装振动传感器，对驱动电机振频率、振幅监测，实现驱动装置维护提升及运行异常预警。2关键技术分析2.1高压变频驱动采用的 BPJV-21250/3.3 高压变频器有 2 个相互独立输出回路，可实现 2 台 1 000 kW 电机变频控制，具体高压变频器拓扑结构如图 2 所示。高压变频器具备有漏电、过载、缺相、接地以及欠电压保护等功能，通过液晶显示屏可实时显现变频器工作状态。具体使用的变频器技术参数如下页表 1 所示。通过高压变频驱动实现软启动、驱动功率平衡、链条保护以及断链监测等功能。高压变频器可实现软收稿日期：2022-01-24作者简介：张霞（1985），女，山西灵石人，本科，毕业于中国矿业大学电气工程及其自动化专业，工程师。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.074图 1智能控制系统结构图 2高压变频器拓扑结构示意图1 000 kW/3 300V振动传感器高压组合变频器控制信号机头煤量检测以太网数据采集箱机头驱动部机尾驱动部数据采集箱CAN总线机尾张紧控制器CXJ127S操作箱1 000 kW/3 300 V振动传感器机尾端局云服务器地面DDS强实时通信协议移动变电站整流单元DC回路逆变单元输出滤波单元异步电动机MM移动变电站50/60 Hz3AC10 kV自动化系统设计机械管理开发第 38 卷启动，明显启动、停止以及急停等机械冲击、电气冲击影响，提高刮板输送机工作效率，通过变频器主-从控制方式实现机头、机尾电机功率平衡，在生产过程中机头电机是主要的负载设备；机尾电机主要用以张紧刮板链，在负载较大时与配合机头电机为刮板链提供动力。在刮板输送机运行时依据刮板上煤量调整启动时间、机头与机尾间启动滞后时间，同时具备刮板链负载监测功能，从而降低刮板输送机运行期间刮板链故障发生率，提高刮板链运行稳定性。2.2煤量监测激光扫描仪置于机头上方，测定刮板煤流高度监测煤量，具体激光扫描示意图如图 3 所示。具体工作原理为：激光扫描角度为，获取每个断面高度 hi，得到每个横截面单元面积Si，最终得到煤量断面积 S，通过引进坐标定位、外形轮廓以及运行速度等信息，即可实现煤流量监测。2.3数据采集分析刮板输送机驱动装置监测内容包括减速器（油温、高低速传动轴等）及电机（三相绕组等）温度、电机振动频率及幅值、冷却水温度及流量等。数据采集箱获取监测数据，并通过总线方式将结果传输给操作箱。操作箱汇总检测数据，并经过井下工业以太网环网将数据传输给地面云服务器。2.3.1温度以及冷却系统分析对刮板输送机驱动装置多位置温度进行检测，自动确定驱动装置正常运行温度范围，若发现某处温度出现突变或者检测结果偏高时，操作箱会发出显示异常点并发出预警信息；若问题严重时操作箱会发出停机指令，降低故障影响。对驱动装置水冷系统流量、水温等检测，确定正常运行水温及流量，若发现冷却水系统出现异常后，会在操作箱上显示异常类型并提醒相关人员及时处理，避免出现水冷系统故障导致局部温度异常问题。2.3.2振动信号分析通过振动传感器监测驱动电机振动频率、幅值，经过大量数据分析确定正常运行时驱动部位振动幅值及频率范围。刮板输送机出现故障往往伴随有异常振动，若监测的振动参数出现异常，则会发出报警信号，提醒及时维修，避免驱动装置故障扩大化。2.4运行速度智能调整策略变频器可实现无极调速，通过智能调速可降能耗。智能调速基础是变频调速控制及煤量监测。在生产过程中受到采煤机截割深度、速度、煤壁片帮以及推溜等因素影响，刮板输送机煤量会发生变化，通过智能调整运行速度，可在满足原煤外运同时降低刮板链回转次数，以便降低磨损及能耗。运行速度智能调整基于 PI 控制方法实现，将刮板输送机上实时煤量Qi与额定煤量 Qs进行比对，根据两者之间差值调整运行速度；当 QiQs时提速，QiQs时降速，通过调整速度使得刮板输送机实际负载处于理想状态，使得驱动电机无功功率最低，以便降低运行能耗。3结语文中对基于变频驱动的刮板输送机智能控制系统进行分析，该系统于 2018 年 10 月在山西某矿刮板输送机控制中进行应用，工作面已回采推进超过1 200 m，智能控制系统始终保持稳定运行。通过采用智能控制系统实现刮板输送机驱动装置检测、煤流检测、智能调速、刮板链自动张紧、软启动等，并借助地面云服务器及大数据技术实现驱动装置故障监测及预警功能。将智能控制系统应用到刮板输送机运行控制后，可在一定程度提升综采工作面智能化控制程度，提高煤炭运输效率。参考文献1王波，刘邹县，刘小哲.刮板输送机智能变频调速控制系统研究与应用J.煤矿机械，2019，40（12）：140-143.2冯景浦，王盼，张学刚.刮板输送设备智能控制系统发展趋势J.陕西煤炭，2021，40（5）：65-67；71.3王哲兴.综采工作面刮板输送机变频控制系统研究J.机械管理开发，2021，36（8）：275-277.4张斌.智能变频控制系统在刮板输送机上的应用探析J.机械管理开发，2021，36（6）：208-210.5刘全喜.刮板输送机智能控制系统在煤矿综采工作面中的应用J.当代化工研究，2021（9）：63-64.6党其.刮板输送机智能化控制系统应用J.机械管理开发，2021，36（1）：160-161；269.7梁志斌.智能变频控制系统在综采工作面刮板输送机中的应用J.山西能源学院学报，2020，33（6）：1-3.质量/kg冷却方式输入参数输出参数电压/V电流/A相数功率/kW频率/Hz电压/V电流/A频率/Hz5 800 水冷23AC1700325502321 2505003 3002（0500）550表 1高压变频器技术参数图 3激光扫描示意图Si=hibBH（下转第 195 页）1902023 年第 2 期楚地展示出各个阀门的情况以及水位和排水泵中的流量等信息。在系统中的水位大小以及流量信息等数据显示异常时，警示装置会马上监测出来并进行警示操作，提醒工作人员进行处理。4结论1）排水系统整体结构合理，电路的精度也高，稳定性好，减少了 10%的事故发生率。上位机表现良好，人机交互界面简洁明了，整体可以满足目前的煤矿排水需求。2）采用自动化控制技术之后，相比于人工操作，需求的人员数量更少，并且可以自行完成检查，能及时发现故障并给予警示，使得整个排水系统更加安全可靠，保证了开采工作的正常进行。参考文献1车永军，王成真，杜利宏.煤矿井下中央水泵房自动化排水系统研究与应用J.煤矿开采，2013，18（5）：28-31；37.2高林.煤矿井下排水自动控制系统的研究与开发D.太原：太原理工大学，2007.3李从科，张艳.煤矿中央泵房自动排水系统的应用J.山东煤炭科技，2013（5）：1-4.4刘昌亮.煤矿排水综合自动化系统的设计与应用J.煤炭技术，2013（3）：67-69.5周继昌.煤矿井下排水自动化控制系统的设计与应用J.现代矿业，2021（10）：159-161.（编辑：李俊慧）Application and Research of Automatic Control Technology of Coal Mine DrainageEquipmentZhang Wenyan（Mechanical and Electrical Management Section,Sitai Mine,Jinneng Holding Group,Datong Shanxi037007）Abstract:Aiming at the problem of water gushing in mine mining,the automation technology of coal mine drainage equipment is proposedby analyzing the application of coal mine drainage equipment,specifically studying the automation control of drainage system and carryingout practical application.The results show that the whole drainage system is simple to operate,rich in functions,and can achieve real-timemonitoring,which can reduce the incidence of accidents by 10%and can meet the current drainage needs in mines and ensure the normalmining of coal mines.Key words:drainage equipment;automatic control;real-time monitoringApplication on the Monitoring System of Mine Ventilation Fan Operation StabilityGao Wenbo（Dayun Huasheng Zhuangwang Coal Co.,Ltd.,Ningwu Shanxi 03670