带式输送机变频驱动装置的研究
张伟
（中国神华神东煤炭集团寸草塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯017209）
【摘要】介绍了带式输送机对驱动装置的要求，依据要求结合一部三台电机驱动双滚筒的带式输送机对驱动装置进行设计。驱动装置采用PLC为主控制器，变频器驱动三相异步电动机。分别对变频驱动装置的启动控制和三台电机之间的功率平衡控制进行了分析和设计。
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关键词 带式输送机；变频驱动装置；PLC；变频器
0引言
带式输送机是一种运量大、速度快、维护简便的连续运输设备，由于他经济可靠，所以已成为矿井原煤运输的主要运输设备。但随着社会的不断发展，对煤炭的需求量也逐渐增加，过去的单机驱动式带式输送机已远远不能满足现代化矿井的需求，为了适应现代化矿井的高产高效，带式输送机必须朝着大功率、大运量、长运距的方向发展[1]，所以多机驱动带式输送机是我们迫切需求发展的一个方向。目前国内外大型输送机的驱动单元大多数采用CST和变频调速控制系统，然而CST系统造价高、系统复杂、维护成本高等原因将随着变频技术的不断发展将逐渐缩小使用范围[2]。依据科技社会的发展方向及实际需求，本文将针对变频驱动系统展开讨论，并以三台电机驱动双滚筒的带式输送机进行变频驱动装置的设计。
1带式输送机对驱动装置的要求
驱动装置是带式输送机的主要装置，一部输送带的运量、长度、带速、稳定性等都和驱动装置的性能、动力、控制方式等是有直接的关系，特别是大型输送机。如果驱动装置不符合输送机的启动、功率平衡、运量等要求，那么就可能造成打滑、断带、烧毁电机等现象。为了寻求一种经济可靠的驱动装置，国内外很多研究人员研究了多种多样的驱动装置，最终对理想的驱动装置提出如下要求[3]：
（1）启动时能够按照理想的曲线启动，启动时间可在一定范围内调节，且能够满载启动；
（2）启动加速度可以控制在一定范围内，以免对输送带造成损伤；
（3）启动过程中应尽量平稳，减小对各部件的冲击；
（4）启动和稳定运行时有过载保护功能；
（5）启动时对外界电源的冲击要小，并尽量避免对外界电源产生污染;
（6）多机驱动时，可以平衡电机间的功率;
（7）可承受长时间慢速运行;
（8）在输送机短时停车时，可以实现不停电动机停车;
（9）配置可集成在控制系统中的先进控制器。
为了满足驱动装置的要求，控制系统必须要解决的问题是：
（1）带式输送机启动时的控制问题，特别是启动加速度和启动时间的控制[4]。
（2）多机驱动时电机间的功率平衡问题，当各电机输出的功率不能均衡的分配时很有可能造成电机过载，甚至烧毁[5]。
2驱动装置的总体设计
近年来随着科学技术的不断发展，变频器在节能、环保、维护方便等方面效果显著，而且其控制可靠、灵活，后期维护方便、成本比较低，所以变频调速技术在现代工业中得到了快速发展。现代工业中大多采用PLC与变频器配合控制电机调速，将检测量接入PLC中，从而实现PLC对变频器的逻辑控制，使控制系统达到最优。
由于电力电子技术的不断成熟，变频调速技术也逐渐应用到带式输送机驱动装置中，如图1所示为变频调速驱动系统以三台电机驱动双滚筒的带式输送机布置图。变频驱动系统和主控制器PLC之间同过通信线实现数据的传输，PLC可同时将变频驱动系统的数据和保护系统的状态传输到上位机，采用组态画面可清晰的在上位机上观测到带式输送机的运行状况，并可实现对带式输送机的启停和参数设置。
3变频驱动单元的配置
带式输送机是一种典型的恒转矩负载，而且在启动过程中对驱动系统的控制要求较高，所以在本文中选择失量控制方式的SIMOVERTMV变频器，变频驱动系统配置如图2所示。SIMOVERTMV变频器是由西门子公司推出的三电平、全数字、矢量控制的中压变频器，可驱动额定电压2.3kV~6.6kV、功率0.66MVA~7.2MVA的三相交流电动机。使用MV中压变频装置驱动带式输送机电机，可实现电机启动电流小，启动力矩大，减小机械磨损和皮带损耗，而且起停时间可调。在MV变频装置中还设有主/从应用宏，可以解决电机的负荷均衡分配问题，在输送物料料量发生变化时可以调节电机转速[6]。
4变频器与PLC的连接
本文中采用PROFIBUS网络实现PLC与各变频器之间的通信，并对变频器的实时监控。PROFIBUS通信网络是由PROFIBUS扫描适配器、总线连接器、PROFIBUS电缆等连接组成，并依据实际情况将总线连接器的终端电阻打到ON或OFF位置。
利用STEP7软件对各变频器进行组态，组太之前需要给每个设备分配不同的组态地址，然后再组态PROFIBUS网络的通信协议,如图3所示。
在组态好之后，需要分别建立DB1、DB2、DB3模块，作为通信数据的存储空间。在存储空间DBW0~DBW10中存放变频器的控制字和主设定值，DBW14~DBW24中存放变频器的状态字和主实际值。因为是一致性数据，所以调用SFC14和SFC15来读写过程数据区域PZD中的数据[7]。PPO协议包括参数区（PKW）和过程数据区（PZD）,在参数区（PKW）可以读写变频器的参数，过程数据区（PZD）可以读写状态值、实际值、控制字和设定值。PPO有5中配置类型，根据自动化系统的数据传输任务可适当选择PPO类型，一般PPO1和PPO3比较常用。
5变频驱动装置的启动控制
由于控制方案中只有主驱动采用的是速度给定控制方式，而从电机是转矩给定控制方式，所以在启动过程中主要对主驱动进行控制。在速度给定前需对启动曲线进行优化，“S”曲线由加速时间和软化时间两个参数来确定，积分软化时间一般为加速时间的10%，如图4所示。
图中t1=t3-t2为积分软化时间，t3为加速时间。经过“S”曲线优化，速度给定值被给定到变频器内部的PID速度控制器中，然后按照PID的调节规则，使电机速度沿着设定的“S”曲线运行[8]。
PID控制中比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量增加系统稳定性。控制原理图如图5所示。
图中r（t）为速度的给定值，f（t）为速度反馈值，e（t）为速度给定值与反馈值的差值，即系统实际输入值。PID控制系统的原理是e（t）经过比例环节、积分环节、微分环节后得到系统的输出值u（t），然后利用输出值控制被控对象。被控对象输出值f（t），并将f（t）反馈会PID控制系统的输入端与给定值比较，比较后的差值作为下一个输入值e（t）输入PID控制系统中，依次循环，直到系统的输出符合给定的要求。
6功率平衡的控制
6.1转矩控制的分析
系统选用参数相同的三相异步电动机，由P=UIcosη知，各电动机的供电电压和功率因数基本相等，所以电机的功率P正比于电流I，对各电机的功率调节可以通过调节电流来实现。
矢量控制异步电动机的变频调速技术现在已经成熟[9]，并且在工业现场的应用很成功。矢量控制变频调速是将异步电动机的定子电流IA、IB、IC在旋转坐标系（M-T）下分解为励磁电流iM和转矩电流iT，然后就可以进行分别的控制。在转子磁场定向的M-T坐标系中，电机的电磁转矩表示为
由上式可知，转子磁链ψr在保持恒定的情况下，电磁转矩与转矩分量iT成正比关系，而带式输送机在稳定运行情况下带速是基本不变的，所以功率平衡控制可以通过控制转矩电流iT来实现。
6.2功率平衡的控制方案
在本文中选择采用以1号电机为主电机，2号和3号电机为从电机的主从控制方式。1号电机采用速度闭环的控制方式，利用速度传感器测得1号电机的转速，并将速度值反馈到PLC中和给定值进行比较，依据比较结果，PLC向变频器发送频率变化信号，从而控制1号电机的转速按照给定转速运转。2号和3号电机作为从电机跟随1号电机运转，将2号和3号电机的电流和1号电机的电流作比较，PLC依据比较结果控制变频器的频率变化。
依据带式输送机驱动装置的控制要求，设计由S7-300PLC[10]为核心的控制系统，控制体统主要有PLC、变频器、检测装置组成，如图6所示。
7结论
依据带式输送机对驱动装置的要求，在本文中用变频器代替了CST、液力耦合器等软启动装置。利用PLC作为主控制器，依据给定速度值对主电机进行速度控制，对从电机的控制是依据主电机的电流而实现的，这种控制方式不仅可以满足带式输送机对驱动装置的要求，而且能够很好的解决以上提出的两个突出问题。在神东煤炭集团中有很多矿井已经采用变频驱动装置，经过长时间的运行，变频驱动装置完全符合易操作、易维护、节能等生产实际需求。
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参考文献
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［7］使用STEP7编程手册[Z].2007,8.
［8］Braglia，Marcello.DesigningabeltconveyorcontrollerinabottlingPlantusingfuzzylogicandgeneticalgoritlims[J].PaekagingTeclmologyandSeienee，2001,9:27-51.
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［10］廖常初．S7-300/400PLC应用技术[M]．北京:机械工业出版社,2011．
［责任编辑：汤静］