矿用带式输送机电气控制保护功能浅议

摘要：简要介绍了矿用带式输送机相关行业标准规定的七大保护功能，针对变频调速和PLC控制技术已广泛在煤炭行业应用的事实，分析了带式输送机重载启动、张紧保护、功率平衡、刹车控制和超正功保护等涉及带式输送机安全性和可靠性的多种重要控制保护功能的必要性并给出实现方法，最后介绍了保护功能的可靠性设计。

关键词：控制；保护；变频调速；功率平衡

1带式输送机常规七大保护功能

按照煤炭行业标准MT872-2000《煤矿用带式输送机保护装置技术条件》,带式输送机常规七大保护功能为打滑、跑偏、堆煤、超温洒水、烟雾、撕带和急停保护。MT872-2000作为行业标准，是保障矿用带式输送机安全运行的最低要求。但因受年代版本限制，不能反映20a来PLC控制和变频调速已广泛应用的技术进步，因此，一线设计工程师不能仅仅局限于满足行标，应当充分发挥新技术优势，设计出更多控制保护功能，使带式输送机运输系统更加安全、可靠。

2带式输送机控制保护功能探讨

（1）张紧保护

带式输送机依靠输送带与驱动滚筒之间摩擦力进行能量传递，摩擦力与输送带的张紧力、驱动滚筒表面摩擦因数成正比，即摩擦力随张紧力的下降成正比例下降。因此，保障张紧力稳定是从根源上保障输送带不打滑的重要手段。控制系统实时监控张紧力信号，当张紧力低于设定值时进行报警是很有必要的。大中型带式输送机往往采用液压自动张紧装置，其输出油缸的压力代表张紧力，该信号送入控制系统，将张紧油压高于设定值作为带式输送机允许启动的条件之一，带式输送机运行过程中出现张紧油压低于设定值时可设计为只报警不停机。

（2）带料重载启动

采用除变频器以外的软启动装置（如液力耦合器、液黏软启动器等）的带式输送机，由于电机在低速段的输出转矩下降严重，不能实现带料启动，甚至不能直接空载启动。因此，带式输送机带料运行过程中出现保护停机时，保护信号恢复正常后仍不能立即启动带式输送机，必须人工将带式输送机沿线物料卸下来后才可以重新启动，启动完成后再将堆放在输送带沿线的物料铲装到带式输送机上。严重消耗人力和时间，导致劳动生产率严重不足。带式输送机越长这种问题越严重。为了减轻这种困扰，传统的带式输送机电气设备从电机到变压器的设计容量被显著加大，带式输送机七大保护功能在现场往往形同虚设。这些非正常措施带来其他诸多问题，譬如多占电力资源、电气设备效率低、带式输送机带病运行等，尤其是通过牺牲安全保障来促进连续生产的做法无异于饮鸩止渴。变频器尤其是矢量控制型变频器可以从根本上满足带式输送机带料重载启动需要。矢量控制是变频调速的一种控制算法，基本原理是通过坐标变换将电机定子绕组电流解耦为励磁电流和转矩电流并分别独立控制，使交流感应电机在低速段甚至零速下也能输出高于额定的输出转矩。因此，带式输送机从零速到设定速度的整个启动过程中电机一直可以输出高于额定的输出力矩，保障带式输送机在设计运量范围内满载启动。而且启动加速时间可根据带式输送机大小适当设置，使启动过程十分平稳。在实际现场调试中曾实现了带式输送机满载启动电流峰值不超过电机额定电流的2倍。综上所述，软启动和带料重载启动宜作为带式输送机运输系统的基本功能。

（3）多电机功率平衡控制

大型带式输送机往往采用双电机或多电机驱动，如果传动系统不具备各电机之间的功率平衡调节能力，带式输送机运行过程中由于各种扰动因素的干扰，会不时发生几台电机之间出力不均现象。该现象一旦发生，则会朝着越来越不均的方向恶化，直至其中一台电机因严重过载而烧损。因此，采用矢量控制型变频器，使电气控制系统具备自动控制电机输出转矩能力，实现电机之间出力均衡应成为多电机带式输送机系统必须具备的功能。以双电机驱动为例说明功率平衡控制原理，功率平衡控制原理接线图如图1所示。双电机驱动时2台电机一般同时配置于带式输送机机头（上运输送带）或机尾（下运输送带）。它们对应的2台变频器应配置于同一电气室内互相靠近；2台电机和对应的变频器分别定义为主电机、主变频器和从电机、从变频器；主变频器设置为速度控制模式，从变频器设置为转矩控制模式（只有矢量控制型变频器才具备的功能）；主变频器模拟量输入口AI1设置为速度给定通道，控制系统将设定速度值转换为4~20mA信号送入该通道，主变频器运行过程中按照该设定值自动控制带式输送机速度；其模拟量输出口AO1设置为输出主变频器的输出转矩，送入从变频器的AI1通道，该通道设置为从变频器的转矩给定；从变频器运行过程中按照该给定值自动控制输出转矩。这样就实现了从变频器自动跟随主变频器的输出转矩，从而使主、从电机输出转矩保持一致。通俗讲就是2台电机出力相同，因为它们的速度是大致相同的，所以输出功率也相同。实际工程中注意以下问题：①注意设置好主变频器的转矩限幅值和从变频器的速度限幅值，这是保障转矩跟随精度、动态响应质量的唯一可设定参数，应根据实际情况调试确定；②尽量采用如图1所示硬接线的4~20mA信号进行速度和转矩信号的传递，因为这是相对于数据通信模式和其他信号制而言抗干扰能力最强的信号传递方式。如果3台或3台以上电机驱动，无论这几台电机布置于带式输送机何种位置，仍然按一主多从模式设置，以保证带式输送机给定速度唯一。几千米以上的大型带式输送机可能机头、机尾或带式输送机中部设计有驱动电机，鉴于变频器应当相对于电机就近布置，因此各变频器之间距离较远，此时只能采用数据通信模式进行信号传递，为了提高数据传递的稳定可靠性，变频器应当增配光电转换接口，采用光纤介质进行数据传递。

（4）下运带式输送机刹车控制

下运带式输送机刹车装置是影响带式输送机安全运行的重要设备，结合变频器和PLC等先进设备，精确控制刹车对提高下运带式输送机安全、减少刹车磨损等有诸多直接或间接益处。下运带式输送机启动时，理想状况是电机输出转矩达到额定值时刹车刚好完全松开；带式输送机停车时，理想状况是带式输送机停住时刹车刚好完全抱紧。由于液压站控制的盘形闸装置从发出松闸信号到刹车完全松开需要数秒时间，而使用矢量控制型变频器时电机从获得启动信号到输出转矩达到额定值的时间一般不会超过0.1s。因此，带式输送机启动时应首先松开刹车，延时数秒等待刹车几乎完全松开后再启动电机，具体时间应反复观察刹车动作时间并经反复调试后确定。带式输送机停车过程中，变频器输出频率是按设定的减速时间从50Hz线性下降到0。如果等到输出频率下降到0时才发出紧闸命令，可能会发生溜车现象；如果刚发出停车命令时（此时带式输送机速度没有明显下降）就发出紧闸命令，则会发生带式输送机在刹车闸紧的状态下被电机硬性拖动现象。为此利用变频器多功能输出端口，设定其中一路信号为频率到达信号，当变频器减速过程中频率下降到设定的频率值时该信号由断开变为接通，利用该频率到达信号控制刹车装置发出紧闸命令，经适当调试到达频率的数值，即可实现带式输送机停住时刹车刚好抱紧的理想状况。

（5）下运带式输送机超正功保护

下运带式输送机带料运行时，电机工作于发电状态，变频器输出功率为负值，带式输送机上物料很少或者空带时，由于负载力小于摩擦力，电机工作于电动状态，变频器输出功率为正值。这些都是正常工作状态。为了最大限度保证下运带式输送机安全运行，每次停机前应先走完带式输送机上的物料后再停机，即每次带式输送机刚启动后的一段时间输送带上的物料是由少到多逐渐增加的，变频器输出功率会从空带时的数值（最大正功率值）随物料的增多而逐渐下降到0，然后变为负值，在负值方向上逐渐增大。如果带式输送机刹车因故没有完全松开，即电机还要额外克服刹车盘的摩擦力，输出功率必然加大，超过最大正功率值。因此，将变频器输出功率送入控制系统与最大正功率值进行比较，超过时报警停机，实现超正功保护，是具有实际意义的。

（6）保护功能的可靠性设计

保护功能动作时，往往意味着带式输送机停机，必然造成连续运输的中断，给生产带来干扰。但是为了保护设备和人身安全，降低设备磨损、冲击，提高设备使用寿命，这些保护又是十分必要的。一些现场的保护装置形同虚设、保护功能被弃置不用，不单单是使用者只顾生产不顾安全的问题，控制系统设计人员应深入分析保护功能的必要性、保护强度等问题，努力从技术上使投运的保护功能既会动作，又不会频繁动作，提高保护功能的可靠性。首先要采用数字滤波滤除模拟信号干扰尖峰和噪声，并判断数据的真实性；其次，应在设备可允许的限度内适当设置持续时间，以进一步确认故障；另外阈值设定应留有余量。譬如带式输送机打滑保护，低于速度阈值5%以内的轻微打滑是可以允许长期存在的，若低于速度阈值10%，按标准应该立即保护，但为了进一步确认故障，仍然可以设定2s左右的持续时间，期间持续低于10%才执行保护动作。按照以上策略设计的打滑保护功能，在很大程度上保证了保护动作的准确性，既能起到保护作用，又不至于误动作。

3结语

带式输送机是煤矿井下煤炭运输的主要设备，其控制系统设计不能仅仅以满足行标和基本运行要求为目标，应该充分发挥先进技术优势，设计出功能先进、保护完善的电气控制系统，以提高带式输送机运行的安全性、可靠性和生产效率。

作者:秦玉忠 单位:中煤科工集团重庆研究院有限公司