基于变频驱动的刮板输送机智能控制系统研究_李梦祺.pdf

基于变频驱动的刮板输送机智能控制系统研究李梦祺，武佐文（山西汾西矿业集团正文煤业，山西孝义032300）摘要：为降低刮板输送机运行能耗、提升利用效率，基于变频控制、传感器检测技术以及模糊控制构建智能控制系统。对智能控制系统整体架构进行分析，并重点探讨链速智能调节控制方式。经现场应用后，该智能控制系统运行平稳，可实现刮板输送机运行参数实时检测、故障预警，而且可依据现场负载变化调节链速，减少磨损及能耗；构建的智能控制系统可在一定程度上提升采面煤炭生产效率。关键词：刮板输送机；变频控制；智能控制；速度调节中图分类号：TD528+.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0164-020引言刮板输送机是采掘作业面主要运输设备，具备有操作灵活、控制方便、连续运输等优点，在煤矿井下发挥显著作用1。现阶段刮板输送机采用的驱动方式多为“组合开关+电机+减速器”或“组合开关+液力耦合器+电机+减速器”，无法实时采集减速器、电动机温度等，同时无法实现保护闭锁。煤矿井下环境恶劣、地质条件复杂，刮板输送机运行过程中受诸多不利因素影响，不同程度存在磨损严重、故障发生率高以及电能资源浪费等问题2-5。文中就根据以往研究成果，结合山西某矿 3505 综采工作面刮板输送机现场应用情况，构建基于变频驱动的刮板输送机智能控制系统。1智能控制系统架构1.1整体架构具体构建的刮板输送机智能控制系统架构主要设备组成包括有高压变频设备、智能监控设备等。刮板输送机采用的变频器型号为 BPJV-21250/3.3（见表 1），变频器供电采用容量为 2 500 kVA 的移动变电站，变频器有 2 个独立回路，单个回路可拖动功率 1250kW以内的电机运行，通过使用一台高压变频器即可对机头、机尾电机的运行控制，实现电机单独启动控制、主从联动控制；变频器内部采用 CAN 总线通信方式，两个回路间可动态调整输出，实现运行及功率动态平衡。智能监控包括有地面云服务器、操作箱（型号CXJ127S）、数据采集箱、链条张紧控制器、煤量检测装置以及各类检测传感器等。操作箱为上位机，通过CAN 总线方式与数据采集箱、张紧控制器以及高压变频器等进行通信；通过以太网方式与煤量检测装置通信；地面端云服务通过井下工业以太网环网获取CXJ127S 操作箱信息，实现数据采集及处理。1.2智能控制方案1）操作箱采用 CAN 总线通信方式，实现刮板输送机链条自动张紧。刮板输送机在启动时，通过机尾链条控制器实现链条预张紧，张紧后启动刮板输送机；停机后先停止向变频器供电，后通过机尾链条控制器松链。同时机尾链条控制器向 CXJ127S 操作箱发送链条状态（如保压、紧链以及松链等），链条状态在 CXJ127S 操作箱显示屏上显示。2）煤流监测。采用激光扫描仪获取刮板链上煤流量，煤流量信息通过以太网方式传输到 CXJ127S 操作箱，操作箱内置 PLC 综合分析煤流信息、电机电流信息，从而确定刮板输送机最佳链速；操作箱通过 CAN总线方式将调速信息发送至高压变频器，实现刮板输送机链速智能控制。3）驱动装置故障时往往伴随有温度、振动异常，为此采用数据采集箱获取驱动装置信息，数据采集箱内置多路温度检测模块、振动数据检测模块，可实时获取减速器、电机等内部温度、振动数据，并将数据以CAN 总线方式传输至操作箱，通过操作箱内 PLC 对温度、振动数据进行综合分析，实现驱动装置早期故障预紧。2运行速度智能控制2.1智能调速原理刮板输送机驱动功率 P 可用式（1）表示：P=Fuv.（1）FuFn+FN+Fs+Fst.（2）式中：v 为刮板链链速，m/s；Fu为刮板输送机驱动装置提供的牵引力，N；Fn为基本阻力，N；FN为附加阻力，收稿日期：2022-08-08第一作者简介：李梦祺（1990），男，山西临汾人，本科，毕业于华北科技学院电气工程及其自动化专业，工程师，从事煤矿机电技术工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.066额定功率/kW 输入电流/A 输入电压/V 输入频率/Hz输出回路21 250255023AC1700502输出电压/V 输出电流/A 输出频率/Hz质量/kg冷却方式03 3002（0275）0505 800水冷表 1高压变频器技术参数自动化系统设计2023 年第 6 期N；Fs为特殊阻力，N；Fst为倾斜阻力，N。刮板输送机驱动装置提供的轴功率 PM表达式为：PM=P/=Fuv/.（3）式中：为驱动装置总效率，%。刮板输送机煤流量 Q 与链速 v 之间对应关系可通过式（4）表示：v=Q3.6qm，QQminv=vmin，QQmin|.（4）式中：qm为刮板链上煤流线密度，kg/m；Qmin为最小运量，kg；vmin为最小运行速度，m/s。从上述表述可以看出，驱动装置提供的轴功率PM与链速 v 有密切关联，在刮板输送机处于轻载或者空载时，适当降低链速 v 即可达到降低轴功率 PM的目的，从而降低驱动装置磨损以及电能消耗。结合以往研究成果，链速调整采用模糊神经网络实现。采用的模糊神经网络对控制量（链速）、煤流量进行模糊处理，以便实现刮板输送机负载、链速间的均衡。为提升控制效果，控制系统中加入 BP 神经网络（层级结构包括输入层、隐含层、输出层），并依据负载预测量及时调整链速，实现刮板输送机运行智能控制。2.2速度控制流程刮板输送机链速通过 CXJ127S 操作箱 PLC 控制器内智能调速软件实现，通过 BP 网络、模糊控制实现链速、负载均衡，具体控制流程如图 1 所示。PLC 机头、机尾控制回路分别控制机头电机、机尾电机运行，输入控制信号分别为*（运行速度）、r（反馈速度），并经速度 PI 调节器处理后给出电机给定转矩 T1*，该转矩经转矩计算模块（组件主要包括转矩调节器 1、输出转矩 1、控制回路 1 等）处理后输入到高压变频器，变频器通过调整机头回路电流频率使得电机按照给定转矩值转动；PLC 控制回路 2 控制机尾电机转动，计算得到给定转矩 T2*，后经转矩计算模块处理后输出到高压变频器，高压变频器调整机尾回路供电频率实现机尾电机运行控制。多电机驱动时需考虑功率平稳问题，为此将 T2*=T1*K，确保机头、机尾电机输出功率平衡，实现刮板输送机高效运行。2.3链速及煤流量检测精准获取链速及煤流量是刮板输送机智能控制的重要前提，链速检测通过速度检测传感器实现，技术较为成熟。由于刮板输送机现场不具备布置电子秤条件，为此采用非接触式对煤流量进行检测，具体依靠煤量检测仪实现。煤量检测仪布置在刮板输送机机头上方，实现煤流量实时检测。煤量检测仪内部有激光扫描雷达通过获取煤流断面高度测算煤流量，具体检测原理为：在激光扫描雷达扫描范围（）内，扫描仪获取每个断面位置（宽度 b）煤流高度 hi，得到每个断面位置煤流量 Si；根据煤流外形轮廓、坐标信息、链速信息等，通过微积分计算即可求得刮板输送机实时煤流量。3现场应用效果将上文所述变频驱动智能控制系统应用到 3505综采工作面刮板输送机运行控制中。3505 综采工作面斜长 180 m，回采的 5 号煤层赋存稳定，厚度 3.9 m、倾角 4，采面推进速度为 3.6 m/d。智能控制系统应用到采面刮板输送机控制后，控制系统可实现驱动装置运行参数实时检测、张紧自动控制，同时实现刮板输送机重载高速、空载及轻载时低速运行，期间智能控制系统运行平稳。智能控制系统应用前，刮板输送机保持恒速高速运行，链速均值 4.1 m/s、日均电能消耗 14 750 kWh，同时每月由于机头、机尾电机功率不平衡、磨损严重引起的抖动、异常磨损等故障约为 8 次；采用智能控制系统后，刮板输送机链速均值为 3.8 m/s、日均电能消耗 11 380 kWh，节省电能消耗约 22.8%，期间刮板输送机平稳运行。4结论1）为提升综采工作面刮板输送机运行效率及可靠性，根据采面刮板输送机使用现场环境、运行状况等，构建基于变频控制的智能控制系统，该智能控制系统采用高压变频器、操作箱、数据采集器以及传感器等实现刮板输送机运行状态检测、变频调速，同时综合模糊控制、BP 神经网络构建速度控制模型，实现链速、负载均衡，在满足采面煤炭运输基础上降低能耗。2）对智能控制系统整体架构、链速智能控制流程等进行详细分析。现场应用实践也表明，该智能控制系统可确保刮板输送机平稳、高效运行，在一定程度上增强刮板输送机工作效率。参考文献1崔若凡.智能刮板输送机驱动系统关键技术分析与应用J.矿业装备，2022（1）：268-270.2王俊涛，郁海滨.刮板输送技术及产品发展趋势探讨J.机械管理开发，2021，36（10）：296-298.图 1刮板输送机智能调速系统软件控制流程速度 PI转矩调输出转控制回调节器节器 1矩 1路 1转矩计算模块机头电动机机头回路转矩调输出转控制回节器 2矩 2路 2机尾电动机机尾回路T2*T1*T1*K*riT1iT2iL11iL21iL31iL12iL22iL32（下转第 168 页）李梦祺，等：基于变频驱动的刮板输送机智能控制系统研究165机械管理开发第 38 卷Application of PLC Controller in Monitoring System of Coal Mine VentilatorWang Wenming（Shanxi Xiangning Coking Group Shennanao Coking Co.,Ltd.,Linfen Shanxi 042105）Abstract:This paper mainly analyzes the application of PLC controller in the monitoring system of coal mine ventilator,and analyzes itsapplication effect.Firstly,taking the FBCDZ mine fan as an example,the basic situation of the fan is introduced,and the overall scheme ofthe monitoring system is designed by using the PLC controller.The system takes the S7-300 PLC controller as the core,and uses sensors,frequency converters and other hardware facilities to realize real-time monitoring of the fans running status,as well as real-time control ofthe fans running process,such as switching fans and reverse wind control.and other functions.The main software program of PLCcontroller is designed based on STEP7 software platform.The ventilator monitoring system was deployed in the coal mine engineeringpractice.After three months of on-site application,it was found that all functions could achieve stable operation and achieved good results,reducing the operating failure rate