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1、引言
    隨著現代化礦井及煤礦采煤技術的發展，長運距、大運量帶式輸送機應用越來越普遍。如何合理的確定大型帶式輸送機的驅動方式，已成為其推廣應用的關鍵技術之一。為了減小電機啟動時輸送帶的動張力，改善輸送帶和整機的受力狀況，保護電網免受大起動電流沖擊，要求大型帶式輸送機的驅動系統能夠提供可調的、平滑而無沖擊的起動力矩。在驅動多臺電動機的情況下，希望各驅動裝置之間能夠做到功率基本平衡，即具有合理分配驅動功率的能力。近幾年，國內外相繼開發了多種形式的軟起動裝置，主要有：液力型軟起動裝置；液黏性軟起動裝置，如美國的CST;電氣型軟起動裝置，如直流調速、交流變頻調速等。
    CST軟起動裝置作為液黏性軟起動裝置的代表與另外兩種軟起動裝置相比具有功率平穩、反應時間快、帶速調節范圍廣、傳動效率高等優點。尤其是目前在長運距、大運量、高帶速的大型帶式輸送機上選用者更多，能實現低扭矩輸送帶預緊及可控起、停車。CST雖然具有許多優越的性能，但目前使用CST系統的初期投資遠遠高于其他類型驅動系統，另外其機械部分零件加工精度要求高，整個系統結構較復雜，國產化較低。針對這一現狀，我們開展了芾式輸送機可控變速裝置產業化與關鍵技術研究，本文主要介紹帶式輸送機可控變速裝置電氣控制系統的設計。
2、帶式輸送機可控變速裝置的結構及工作原理
    帶式輸送機可控變速裝置是典型的機電液一體化產品。它由機械系統、液壓系統和電氣控制系統三大部分組成，機電液有機結合，布局合理。
2.1機械傳動系統的組成與工作原理
    機械傳動系統由一級齒輪減速機構和一級2K-H行星傳動機構組成。如圖1(a)所示。齒輪減速機構起到降速和初步擴大力矩的作用，2K-H行星傳動機構不僅可以進一步擴大力矩、降低轉速，而且能夠實現運動合成，實現過載保護。
    當輸送機起動時，如果先使液壓馬達帶動內齒圈轉動，且其轉速達到一定的數值，根據行星傳動機構的工作原理可知，輸出軸Ⅵ和輸入軸II都有可能轉動。但是由于輸出軸Ⅵ與滾筒聯接，其阻力矩很大，而輸入軸II通過齒輪機構與主電動機的轉子聯接，其阻力矩較小，因此主電動機的轉子就會隨之轉動（輸出軸Ⅵ即系桿不轉動），適當調整液壓系統，使此轉動的轉向與主電動機工作時的轉向一致，然后再起動主電動機，就可實現主電動機空載起動。當主電動機轉速達到額定轉速后，液壓馬達就成為主電動機的一個負載，使液壓馬達按照一定規律降速（相當于使內齒圈按照一定規律降速），可使輸出軸Ⅵ按照相應規律升速起動，從而實現主電動機先空載起動、再使滾筒均勻、平穩升速到額定轉速的軟起動。
2.2液壓傳動系統及其工作原理
    考慮內齒圈載荷小、要求無級變速等具體情況，帶式輸送機可控變速裝置采用電液比例閥組成的液壓系統作為內齒圈的動力源。液壓系統的原理如圖l(b)所示。主要液壓元件有液壓泵、液壓馬達、電液比例調速閥和電液比例溢流閥等。其中液壓馬達是機械傳動系統中蝸桿的動力源，通過電液比例節流閥6調節液壓馬達的流量，從而使其轉速實現無級變化。電液比例溢流閥8是用來調整液壓系統工作壓力的，通過控制系統對液壓系統不同工作狀態下壓力的設定，使液壓系統始終工作在最優狀態，以實現效率最高、油溫最低的設計目標。
    (1)輸送機軟起動
    控制系統將電液比例溢流閥8的壓力調節到額定值，并向液壓馬達供油，當主電動機起動并達到額定轉速后，使電液比例節流閥6的開口量由最大值按照設定的規律減小，直到完全關閉，從而實現滾筒的轉速由零逐漸達到正常值，即完成輸送機的軟起動。
    (2)多機驅動的功率平衡
    對于多個軟起動單元驅動的帶式輸送機，由于各個軟起動單元中電機的外特性的差異、設備的制造和安裝的誤差、膠帶彈性伸長率的不同以及載荷變化等因素的影響，往往造成電機負載功率的失衡，從而引起帶式輸送機的功率不平衡。本系統采用電流控制功率平衡法。電流控制功率平衡法是利用當電機參數相同，在同一電網供電的情況下，在其負載范圍內，電機電流的大小直接反映了電機功率大小的原理，通過采集各個驅動電機的電流值作為功率平衡的控制依據，若載荷偏差不在設定值以內，通過控制電液比例節流閥6的開口量，控制液壓馬達的供油量，從而控制機械系統的輸出軸Ⅵ的轉速，實現多機或多點驅動的功率平衡。
3、電氣控制系統設計
    根據整機對控制系統的要求和使用環境，可控變速裝置的電氣控制系統采用可編程控制器(PLC)和相應模塊組成。PLC是專為工業環境下應用而設計，它采用“光電”隔離技術，抗干擾性能力強。圖2為帶式輸送機可控變速裝置電氣控制系統原理框圖。
    電氣控制系統主要由PLC、傳感器、人機界面和液壓控制閥驅動模塊組成。PLC選用FX2N32MT，該型號具有較高的可靠性和性價比。系統通過采集壓力變送器、速度傳感器、電流傳感器輸出的信號，經過PLC運算處理后，控制主電動機和液壓系統電動機的啟停，以及比例閥開口的大小，從而實現帶式輸送機的軟起動、軟停車和電動機的功率平衡。輸送機整個電控系統放置于隔爆箱內，以滿足礦井對控制設備安全性的要求。在防爆箱正面開設玻璃窗，安裝觸摸屏，便于操作員查看輸送帶運行參數、執行故障報警和對系統參數進行修改。
3.1信號檢測電路設計
    信號檢測模塊可以把電流變送器、壓力變送器和溫度變送器傳送來的模擬信號轉換為數字信號。傳感器選擇本安防爆型，輸出標準4～20mA電流信號。為滿足井下安全要求，模擬信號經檢測端隔離式安全柵后再進入A/D轉換模塊。圖3給出了A/D轉換器的接線方式。
3.2液壓控制閥驅動電路設計
    液壓控制閥的驅動是整個系統的關鍵部分。為滿足系統控制要求，我們采用了ATOS的電子放大器驅動液壓控制閥。液壓控制閥驅動電路如圖4所示。電液比例溢流閥采用E-ME-AC型電子放大器，該放大器對電磁鐵提供一個切換電流，即可按與輸入電流信號成比例地控制閥的調整量。電液比例節流閥采用E-ME-T型電子放大器，該類放大器用于帶閥芯位置反饋的比例閥，放大器按輸入信號的變化，成比例地控制閥芯位置，通過對電磁鐵提供適當的電流，來液壓馬達的流量，從而使其轉速實現無級變化。
4、控制系統軟件設計
    為了保證控制系統的可維護性、可擴展性以及安全性，PLC的控制程序采用模塊化設計，模塊之間相互獨立。PLC程序分為初始化程序和功能模塊程序。通電時，系統自動進入初始化程序，對現場的設備狀態進行檢測，將各點按預設的狀態進行設定，在程序初始化完成后系統就進入正常運行部分。帶式輸送機的運行狀態可歸納為：停止、啟動、勻速連續運行、功率平衡、停車和檢帶運行等幾種狀態。PLC根據運行狀態分別編寫相應的子程序。系統主程序流程圖如圖5 (a)所示。圖5(b)為軟起動子程序流程圖。軟起動時要求完成如下動作：使電液比例節流閥6的閥口開至最大：電液比例溢流閥8調到設定壓力；起動液壓泵，當液壓馬達轉速達到設定值時，起動主電動機；主電動機達到額定轉速后，電液比例節流閥6按一定規律關閉閥口：當輸出軸轉速達到額定值時，使比例溢流閥8壓力線性下降到最小值(1.OMPa)，實現泄荷。
5、結論
    帶式輸送機可控變速裝置是機電液有機結合的機電一體化產品，電控系統以先進的PLC及其配套模塊作為主控系統，液壓控制閥的驅動采用了ATOS的電子放大器，整個系統功能完善，制造成本低。經過實驗測試，該系統總體性能接近美國的CST系統，但制造成本顯著低于CST系統，能夠滿足我國煤炭生產的需要，推廣應用前景廣闊，是大運量、長距離帶式輸送機比較理想的驅動裝置。