技术说明书矿用带式输送机电控系统.docx
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技术说明书矿用带式输送机电控系统
矿用带式输送机电控系统
技术说明书
上海申地自动化科技有限公司
目录
1概述1
2遵循原则及依据1
3技术规格与要求1
4技术说明1
5设备清单15
矿用带式输送机电控系统
技术说明书
1概述
带式输送机是矿井运输的咽喉设备之一，提高矿井煤炭生产的运输能力，进一步提高矿井生产的自动化水平，是煤炭生产的急需解决的问题。
随着防爆变频器的问世，运输机的电机驱动，多数采用电驱动方式有：
软起动器和变频器。
采用变频器的目的是解决：
a）高精度的转矩控制；b）多机运行过程中的功率平衡；c）净化环境、安全生产。
2遵循原则及依据
2.12005年版《煤矿安全规程》；
2.2GB3836.1～4-2000《防爆规程》；
2.3GB/T13926-92《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性》
2.4GB50070-94《矿山电力设计规范》；
2.5MT/T184-1999《带式输运机电控装置技术条件》；
2.6用户根据实际需要对带式输送机电控提出技术要求。
3技术规格与要求
由用户提出。
4技术说明
带式输送机电控系统包括：
驱动、控制、操作、保护、通讯五大部分，协调运行，共同完成胶带机运行的软起、软停和过程控制。
4.1驱动部分
驱动部分可以选用矿用软起动器，也可以选用变频器。
若选用变频器，则可选用我公司生产的BPJ1系列矿用隔爆兼本质安全型交流变频器（详见图1）。
其控制功率见表1。
其控制原理如图2所示。
主要规格参数表1
型号
BPJ1-□/1140（660）
适用电动机功率（kW）
15
18.5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200
220
280
315
400
500
额定输出
额定电流（A）
1140
10
12
15
20
25
30
36
50
60
73
87
106
132
146
185
209
265
330
660
17
21
25
34
42
51
63
86
103
126
151
183
229
252
320
360
457
/
额定过载电流
额定电流的150%1min
电压（V）
三相1140/660V,50/60Hz
输入电压
相数·电压·频率
三相1140/660，50/60Hz
容许波动
电压＋10～－15%，频率：
±5%
输出频率
设
定
最高频率
（5～400）Hz可变设定
基本频率
（5～400）Hz可变设定
起动频率
（0.5～60）Hz可变设定
载波频率
（2～6）KHz可变设定
精度
模拟设定：
最高频率设定值的±0.3%（25±10℃）以下；数字设定：
最高频率设定值的±0.01%（－10～＋50℃）
分辨率
模拟设定：
最高频率设定值的二千分之一；数字设定：
0.01Hz；（99.99Hz以下），0.1Hz（100Hz以上）
控
制
过程控制
PID（标准比例、积分、微分、闭环控制）
转矩提升
自动：
根据负载转矩调整到最佳值；手动：
0.1～20.0编码设定
起动转矩
150%以上（转矩矢量控制时）
加、减速时间
（0.1～3600）S，对加速时间、减速时间可单独设定4种，可选择线性加速减速特性曲线
附属功能
上限频率、下限频率控制、偏置频率、频率设定增益、跳跃频率、瞬时停电再起动（转速跟踪再起动）、电流限制
运转
运转操作
触摸面板：
运行键、停止键，远距离操作；端子输入：
正转指令、反转指令、自由运转指令等
频率设定
触摸面板：
∧键、∨键；端子输入：
多段频率选择；模拟信号：
频率设定器DC（0～5）V或DC（4～20）mA
运转状态输出
集中报警输出。
开路集电极：
能选择运转中、频率到达、频率等级、检测等9种或单独报警
模拟信号：
能选择输出频率、输出电流、转矩、负载率（0～1Ma）
显示
数字显示器（LED）
输出频率、输出电流、输出电压、转速等运行数据
液晶显示器（LCD）
运转信息、操作指导、功能码名称、设定数据、故障信息等
灯指示（LED）
充电（有电压）、显示数据单位、触摸面板操作指示、运行指示
制动
制动转矩
100%以上
电容充电制动20%以上
电容电制动（10～15）%
制动选择
内设制动电阻
外接制动单元和制动电阻100%
四象限整流回馈（60%～100%）
直流制动设定
制动开始频率（0～60）Hz，制动时间（0～30）s，制动力（0～200）%可变设定
保护功能
过电流、短路、接地、过压、欠压、过载、过热、电动机过载、外部报警、电涌保护、主器件自保护
外壳防护等级
地面IP54，井下ExdibI
冷却方式
45kW以下自然冷却，45kW以上热管冷却.
外形尺寸㎜
功率（kW）
45以下
45＜P≤500
长期工作制
876×767×1015
1440×1061×1083
短期工作制
876×767×1015
重量（kg）
400
750
4.1.1变频器的选型
1）确定负载的机械特性
a）恒转矩负载
TL（阻转矩）＝FL×r
TL——传送带与传输拖辊之间的摩檫力FL与半径r的乘积
b）恒功率负载
不同的转速下，负载功率是不变的。
c）平方律负载
阻转矩与n2（转速）成正比。
2）确定变频器的容量
一般情况下，变频器的电流大于或等于额定电流，即：
IB≥Ie。
在连续变动负载中，变频器应选电流大于或等于电机运行过程中的最大电流，即：
IB≥Imax。
对三相电机而言，P2（电机功率）＝
3）确定变频器的控制方式
变频器控制方式有：
a）V/F＝C恒定控制（V/F频率控制、V/F速度控制）
适用于水泵、风机一类平方律负载；
b）矢量控制
矢量控制通过三相-两相变换和同步旋转变换，把交流异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转坐标上等效成直流电动机，从而模仿直流电动机进行控制，得到在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美的交流调速系统。
矢量控制强调转子磁链与转矩的解耦，实现连续控制，调速范围较宽。
c）直接转矩控制
直接转矩控制与矢量控制不同，直接转矩控制放弃了旋转坐标变换，而是在静止两相坐标系上控制转矩和定子磁链，并采用砰-砰控制以获得快速的转矩响应。
直接转矩控制强调控制定子磁链，不受转子参数随转速变化而变化，采用转矩和定子砰-砰控制而避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，动态响应快。
以上b）、c）适用于重负载或恒转矩工况。
4.1.2现以直接转矩控制的变频器为例：
（见图2）
图2DTC控制原理图
直接转矩控制具有以下优点：
1）直接转矩控制（DTC）与矢量控制不同，直接转矩控制的反馈量是力矩信号，高速数字信号处理器每秒钟更新40000次实际检测的电流信号和DC母线电压信号，再由这些信号根据自适应电机模型计算出力矩信号，并对其进行直接控制。
它较矢量控制通过控制电流来间接控制力矩的方法更直接、快速、高精度。
直接转矩控制技术的特点：
a）电机磁场矢量轨迹接近圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。
b）电机的数字模型是建立在定子坐标系下分析并控制磁链和转矩的，省掉了复杂的坐标变换及其计算，因而控制系统十分简单，物理过程直接明确。
c）直接转矩控制采用定子磁链定向，该量仅与定子电阻有关，只要知道了定子电阻，就可以进行磁链矢量控制。
d）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果，避开了通过控制电流，磁链等量间接控制转矩的过程，而是直接控制电机转矩，因而使电机获得极高的响应频率，从而保证电机具有良好的速度控制能力。
同时也使得系统具有较强的抗机械谐振能力。
e）精确的电机模型，高速数据处理技术，借助于独立控制的两点转矩调节器和磁链调节器，使优化脉冲控制逻辑以极快的响应频率去高速更新控制脉冲的状态，保证了转矩阶跃响应快速且无超调，也使得系统有很好的零速满转矩能力，特别适合提升应用。
f）由于直接转矩控制方式不需要测速反馈信号，因此可以不装测速机，其转矩和速度的控制水平优于闭环直流调速，如果有测速机反馈转速信号的话，直接转矩控制系统的各项指标均远高于其他各项控制方式。
4.2控制部分
由KXJD1-127隔爆兼本质安全型电源控制箱和CXH-1/9.5本质安全型操作台组成。
1）控制原理
理想的启动速度曲线，应使带式输送机平稳启动，且在整个启动过程中加速度的最大值较小，没有突变，即最大限度地减小启动惯性力和启动冲击作用。
国内常用的控制曲线如图3所示，其曲线方程为：
v（t）=v/2（1-cosπt/T）0≤t≤T
v：
设计带速，
T：
启动时间。
由于输送机在启动之前，输送带处于松弛状态，为避免输送带的冲击，将输送带拉紧启动，可进一步改善启动峰值张力作用。
这样，需要在启动开始阶段加入一段时间延迟段，其最佳起动曲线如图4所示。
延迟段的速度一般取为设计带速的10％。
速度
速度
V
V/2
加速度
0
时间
T/2
T
图3
上述曲线中启动时间T是非常重要的设计参数，一般可根据设计经验，通过控制启动最大加速度或平均加速度，初步确定启动时间，再根据动态分析结果进行优化。
通常情况下，长距离带式输送机的启动最大加速度不大于0.05m/s2，中长距离带式输送机的启动最大加速度不大于0.1m/s2。
a）变频器的启动控制曲线
理想的启动速度曲线，应使带式输送机平稳启动，且在整个启动过程中加速度的最大值较小，没有突变，最大限度地减小启动惯性力和启动冲击力。
本技术方案检验控制曲线如图4所示。
图4起动过程
为避免输送机在启动过程中发生共振现象，本方案启动时间T根据我公司的经验设置在T≥5L／Vw，即启动时间T大于下分支输送带纵向波由机头传到机尾所需时间的5倍。
L：
输送机总长，m
Vw：
输送带纵向应力波传递速度，m/s
Vw=EB/（qB+qRu）
E：
输送带弹性模量，N/mm
B：
带宽，mm
qB：
输送带单位质量，kg/m
qRu：
下分支托辊转动部分质量，kg/m
b）起动时的功率平衡（详见图5）。
为达到这一效果，本方案采用交流变频器作为驱动部件。
在多机拖动时，根据皮带机机械驱动装置的布置，BPJ1系列变频器可实现转矩或速度全程跟踪，达到功率平衡。
如：
当2台以上电机同时起动，且前两台电机处于同轴时，则两同轴的1号电机设为主机，2号电机必须设为转矩跟踪；不同轴的3号电机设为速度跟踪。
并将2号变频器的速度输出作为3号变频器的速度输入给定。
如此，便能实现3台电机功率平衡。
c）变频器的停车
变频器的停车由自由停车和变频停车两种。
自由停车是靠系统惯性停车，变频停车是按
图5起动时的功率平衡
预定的停车曲线停车，即：
正常运行停车时，PLC控制器给变频器一个停车命令（可以是接点信号，也可以是4-20mA给定的倒“S”型或线性停车曲线），变频器会按照给定的停车曲线和时间自动进行停车，即：
变频器在接收到停车指令后，会按给定的减速参数尽可能地减速到给定值，然后开始直流制动。
正常情况下，当变频器的频率降到0.5Hz时,开始直流制动,整个停车过程，一般在10-60s之内完成（如图6所示）。
0.5Hz
图6停车曲线图
2）控制系统系统硬件配置
本方案的控制系统内由KXJD1-127型隔爆兼本质安全型电源控制箱（如图7所示）来完成，箱内装有西门子S7-300PLC、触摸屏（或显示器）、本质安全型电源和继电器等。
主要功能和特点：
a）采用模块化结构
各I/O模块采用可拆卸端子排，出现故障时便于维修和更换；具有故障自诊断功能PLC的扫描器和适配器发生故障时，系统会通过网络的通讯情况判断故障，并发出报警；PLC的I/O模块发生故障时，CPU会通过I/O模块的状态位侦测到故障及故障内容，系统会发出报警。
PLC配有PT100温度模块，实时检测电机（电机内置TP100）各测点温度，实现超温保护并在显示屏和上位机上显示。
整个PLC控制功能主要是完成变频器运行过程和辅助设备所有控制功能，即软起、软停和过程控制。
b）供操作箱的外部本安传感器用，可提供5路不共地的隔离栅，其中3路作隔爆与本安的转换，1路作隔爆与非隔爆的转换；可输入16个开关量信号，2个4～20mA模拟量信号，可输出8个开关量信号，2个模拟量信号；输出接点容量：
DC10A、220V、AC16A、500V；本安端：
最高电压DC9.5V，最大电流1A。
c）触摸屏
触摸屏具有各种设备运行状态和参数显示功能，包括胶带的运行、停止、电机转速、电机电流、故障保护（尾部重锤限位、煤仓煤位、语音、洒水、温度、打滑等）、近控远控状态、电机温度、变频器温度、变频器直流电压、系统电压电机功率、电机转矩、电机频率、运行时间等几十个参数和多达50个故障及报警信息，触摸屏还可以通过门上5个防爆型按键修改程序或控制皮带运行。
起动流程图（详见图8）和停车流程图（详见图9）
触摸屏显示大致分为六个主画面和若干个子画面。
上电后触摸屏显示“欢迎”画面，通常情况下选择“监控”按钮，进入“系统监控”画面，如选择“报警”按钮，进入“故障报警”画面，如选择按“参数”按钮，进入“延时参数设定”画面，如选择按“系统”按钮，进入“系统设定”画面。
“系统监控”画面第一行左上角是工作方式指示，中间是工作状态指示，右边是起动、停止按钮。
以下几行为指示灯，当对设备动作后，呈高亮状态。
“故障报警”画面可以通过“报警清单”按钮条查看目前报警的故障，“报警记录”按钮条清除故障报警记录。
“故障复位”按钮条用于解除软件上的故障自锁。
“系统设定”画面的“设备监视”按钮条可以实现监视PLC的内部软件，“PCL诊断”按钮条可以查看PLC程序指令，“数据文件”按钮条可以编辑触摸屏的数据文件值，“画面清单”可以查看触摸屏所有的画面，“时间日期”按钮条可以设定当前时间，“对比度”按钮条可以调整触摸屏的对比度，“蜂鸣器”按钮条可以关闭或打开触摸时的声音，“停止PLC”按钮条用于在“程序清单”画面中修改程序指令时停止PLC。
“延时参数设定”画面有两上画面组成，用于对程序中的延时参数进行监视和修改，触摸某项参数的标签，在弹出软键盘上修改参数，按画面上的“保存修改值”按钮条，可以保存已修改的参数，“载信修改值”将导入上次保存过的、经修改的参数，“载入设定值”将导入默认的参数。
图8起动流程图
图9停车流程图
4.3操作部分
操作部分在CXH-1/9.5本安操作台上完成（见图10），操作台装有德国P+F公司生
产的本安PLC模块、隔离栅、网关、远程I/O及操作按钮等，具有就地、集控和手动、自动等多种操作方式。
操作台上配备的按钮及开关有：
功能选择、设备的起停、速度选择、无级调速、单台运行、正反运行等等；参数显示由一块线性彩色显示屏及相应的仪
表完成，主要显示设备的运行状态和运行参数，并和主机（关联设备KXJD1-127点控箱）进行数据交换。
●就地方式：
在就地工作方式下，通过变频器上的起停按钮实现皮带机的起停，自动按设定的加速曲线完成皮带机的软启动和软停车。
●集控方式（自动方式）
在集控方式下能通过PROFIBUS总线实现胶带机的多机联动等上述各种控制功能，接收来自现场设备各种控制状态信号，并把所有数据通过PROFIBUS总线先转换成本质安全型总线FSK,然后到达地面以后再由FSK/PROFIBUS转换器转换成PROFIBUS总线，传送给上位机；也可以在上位机上对井下皮带进行控制操作。
如上位机和井下控制器距离非常远，则可配置网络增强器来完成信号的传输。
本技术方案可将采区转载皮带、石门皮带、顺槽皮带、大巷皮带及至地面筛分皮带
等分成几大控制节点，每个节点均配有电源控制箱，既可独立完成节点内的控制，也可以通过PROFIBUS总线方式完成集控。
集控点设置在调度室，工作人员可以在调度室内开、停井下和筛分车间的各台变频器和皮带机的起停。
井下可实现无人执守。
●手动方式
可以在操作台上手动操作完成皮带机的启、停及过程控制。
当胶带机部分传感器有故障时（非主要传感器），为不影响生产，可以手动控制运行，亦称为检修运行。
4.4保护系统
1）变频器的各种保护
变频器具有过流、过压、欠压、短路、接地、过热、过载、断相、电机堵转等保护。
2）胶带机运行各种保护
胶带机设有起动预警信号、跑偏、急停、烟雾、速度、堆煤、纵撕、温度、煤位、张力等保护。
同时配有语音扩音电话等。
3）故障保护
a）系统提供了煤位、烟雾、油温、纵撕、沿线停车、跑偏、打滑、电机过载等多种常用的故障保护功能。
任何一个保护传感器动作，都将导致停车，并且在触摸屏上的“故障清单”有相应的显示。
b）沿线任一拉线、跑偏开关动作，操作台上的触摸屏“报警清单”有故障显示，跑偏确认的延时时间为2秒。
c）打滑速度整定值为额定带速的75%，确认延时时间为3秒。
d）如果闸电机电源缺相或过流引起热继电器动作，其常闭接点断开，将导致立即停电机、抱闸。
e）起动过程中，任一台磁力起动器没有在规定的时间（3秒）内返回已起动信号，或者在运行过程中，返回的已起动信号消失，都将导致停车。
f）在运行过程中，随意切换工作方式，将导致停车。
g）在集控运行中，输入的远控信号消失，立即正常停车，输入的前级运行信号消失，立即导致紧急停车。
h）当PLC的内置电池容量不足时，在“PLC诊断”画面有显示，应当购买专用电池替换，否则将导致程序丢失，最多不可超过1个月。
i）若触摸屏的显示通信中断，只要PLC没损坏，控制箱可以起停本条皮带。
4.5通讯系统（详见图11）
目前国内煤炭生产企业及数字信息系统，包括现场控制层、过程监控层和生产管理层等三层组成。
图11通讯系统图
本技术方案中采用profibus-DP总线将两台变频器及皮带电控有效地桥接，实现皮带机的全程控制，并可与157皮带实现集控，同时将数据网传到调度室上位工控机，实现地面控制和无人职守功能。
若各条皮带用的PLC型号不一致，可采用RS232口转换，并通过profibus总线直接网传上位机或以太网（详见图12）
图12集控网络图
5设备清单
矿用带式输送机电控系统设备清单
（本清单以1000m为例，电机功率2×200kW/660V）
序号
设备名称规格型号
计量单位
数量
备注
1
BPJ-□/1140（660）矿用隔爆兼本质安全型交流变频器
台
1
内装进口原装变频器，并含输入电抗器、共模滤波器、输出正弦波滤波器等EMC装置
2
KXJD1-127型隔爆兼本质安全型电源控制箱
台
1
含进口PLC和10.4英寸触摸屏、安全隔离栅、本安电源等
3
CXH-1/9.5本安操作台
台
2
进口P+F本安PLC模块
4
KFP-127/1A（智能）跑偏开关
台
8
5
KHL1（智能）拉线开关
台
18
6
DJSBA-1纵向撕裂传感器
台
2
7
KG1006煤位传感器
台
2
8
KCS-1本安测速轴编码器
套
2
9
Pt100温度传感器
只
2
10
S11Y烟雾报警器
台
2
11
语音电话TK130D
只
9
200m/只
12
KT130D电话电缆2X2.5+2X1.5
根
9
200m/根
13
电缆ZR-YZW10×0.5
Km
2
14
软件费
套
1
上海申地自动化科技有限公司
升级会员 