1、引言
    隨著現(xiàn)代化礦井及煤礦采煤技術(shù)的發(fā)展，長運距、大運量帶式輸送機應(yīng)用越來越普遍。如何合理的確定大型帶式輸送機的驅(qū)動方式，已成為其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)免受大起動電流沖擊，要求大型帶式輸送機的驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供可調(diào)的、平滑而無沖擊的起動力矩。在驅(qū)動多臺電動機的情況下，希望各驅(qū)動裝置之間能夠做到功率基本平衡，即具有合理分配驅(qū)動功率的能力。近幾年，國內(nèi)外相繼開發(fā)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(diào)速、交流變頻調(diào)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(wěn)、反應(yīng)時間快、帶速調(diào)節(jié)范圍廣、傳動效率高等優(yōu)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(xiàn)低扭矩輸送帶預(yù)緊及可控起、停車。CST雖然具有許多優(yōu)越的性能，但目前使用CST系統(tǒng)的初期投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型驅(qū)動系統(tǒng)，另外其機械部分零件加工精度要求高，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，國產(chǎn)化較低。針對這一現(xiàn)狀，我們開展了芾式輸送機可控變速裝置產(chǎn)業(yè)化與關(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)的設(shè)計。
2、帶式輸送機可控變速裝置的結(jié)構(gòu)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(chǎn)品。它由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三大部分組成，機電液有機結(jié)合，布局合理。
2.1機械傳動系統(tǒng)的組成與工作原理
    機械傳動系統(tǒng)由一級齒輪減速機構(gòu)和一級2K-H行星傳動機構(gòu)組成。如圖1(a)所示。齒輪減速機構(gòu)起到降速和初步擴大力矩的作用，2K-H行星傳動機構(gòu)不僅可以進(jìn)一步擴大力矩、降低轉(zhuǎn)速，而且能夠?qū)崿F(xiàn)運動合成，實現(xiàn)過載保護。
    當(dāng)輸送機起動時，如果先使液壓馬達(dá)帶動內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動，且其轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的數(shù)值，根據(jù)行星傳動機構(gòu)的工作原理可知，輸出軸Ⅵ和輸入軸II都有可能轉(zhuǎn)動。但是由于輸出軸Ⅵ與滾筒聯(lián)接，其阻力矩很大，而輸入軸II通過齒輪機構(gòu)與主電動機的轉(zhuǎn)子聯(lián)接，其阻力矩較小，因此主電動機的轉(zhuǎn)子就會隨之轉(zhuǎn)動（輸出軸Ⅵ即系桿不轉(zhuǎn)動），適當(dāng)調(diào)整液壓系統(tǒng)，使此轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)向與主電動機工作時的轉(zhuǎn)向一致，然后再起動主電動機，就可實現(xiàn)主電動機空載起動。當(dāng)主電動機轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，液壓馬達(dá)就成為主電動機的一個負(fù)載，使液壓馬達(dá)按照一定規(guī)律降速（相當(dāng)于使內(nèi)齒圈按照一定規(guī)律降速），可使輸出軸Ⅵ按照相應(yīng)規(guī)律升速起動，從而實現(xiàn)主電動機先空載起動、再使?jié)L筒均勻、平穩(wěn)升速到額定轉(zhuǎn)速的軟起動。
2.2液壓傳動系統(tǒng)及其工作原理
    考慮內(nèi)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(tǒng)作為內(nèi)齒圈的動力源。液壓系統(tǒng)的原理如圖l(b)所示。主要液壓元件有液壓泵、液壓馬達(dá)、電液比例調(diào)速閥和電液比例溢流閥等。其中液壓馬達(dá)是機械傳動系統(tǒng)中蝸桿的動力源，通過電液比例節(jié)流閥6調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的流量，從而使其轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無級變化。電液比例溢流閥8是用來調(diào)整液壓系統(tǒng)工作壓力的，通過控制系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)不同工作狀態(tài)下壓力的設(shè)定，使液壓系統(tǒng)始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，以實現(xiàn)效率最高、油溫最低的設(shè)計目標(biāo)。
    (1)輸送機軟起動
    控制系統(tǒng)將電液比例溢流閥8的壓力調(diào)節(jié)到額定值，并向液壓馬達(dá)供油，當(dāng)主電動機起動并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，使電液比例節(jié)流閥6的開口量由最大值按照設(shè)定的規(guī)律減小，直到完全關(guān)閉，從而實現(xiàn)滾筒的轉(zhuǎn)速由零逐漸達(dá)到正常值，即完成輸送機的軟起動。
    (2)多機驅(qū)動的功率平衡
    對于多個軟起動單元驅(qū)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(shè)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(fù)載功率的失衡，從而引起帶式輸送機的功率不平衡。本系統(tǒng)采用電流控制功率平衡法。電流控制功率平衡法是利用當(dāng)電機參數(shù)相同，在同一電網(wǎng)供電的情況下，在其負(fù)載范圍內(nèi)，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(qū)動電機的電流值作為功率平衡的控制依據(jù)，若載荷偏差不在設(shè)定值以內(nèi)，通過控制電液比例節(jié)流閥6的開口量，控制液壓馬達(dá)的供油量，從而控制機械系統(tǒng)的輸出軸Ⅵ的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)多機或多點驅(qū)動的功率平衡。
3、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
    根據(jù)整機對控制系統(tǒng)的要求和使用環(huán)境，可控變速裝置的電氣控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)和相應(yīng)模塊組成。PLC是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用“光電”隔離技術(shù)，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(tǒng)原理框圖。
    電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、傳感器、人機界面和液壓控制閥驅(qū)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(tǒng)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(jīng)過PLC運算處理后，控制主電動機和液壓系統(tǒng)電動機的啟停，以及比例閥開口的大小，從而實現(xiàn)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(tǒng)放置于隔爆箱內(nèi)，以滿足礦井對控制設(shè)備安全性的要求。在防爆箱正面開設(shè)玻璃窗，安裝觸摸屏，便于操作員查看輸送帶運行參數(shù)、執(zhí)行故障報警和對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改。
3.1信號檢測電路設(shè)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號。傳感器選擇本安防爆型，輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號。為滿足井下安全要求，模擬信號經(jīng)檢測端隔離式安全柵后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊。圖3給出了A/D轉(zhuǎn)換器的接線方式。
3.2液壓控制閥驅(qū)動電路設(shè)計
    液壓控制閥的驅(qū)動是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。為滿足系統(tǒng)控制要求，我們采用了ATOS的電子放大器驅(qū)動液壓控制閥。液壓控制閥驅(qū)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(diào)整量。電液比例節(jié)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(dāng)?shù)碾娏�，來液壓馬達(dá)的流量，從而使其轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無級變化。
4、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
    為了保證控制系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)自動進(jìn)入初始化程序，對現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測，將各點按預(yù)設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，在程序初始化完成后系統(tǒng)就進(jìn)入正常運行部分。帶式輸送機的運行狀態(tài)可歸納為：停止、啟動、勻速連續(xù)運行、功率平衡、停車和檢帶運行等幾種狀態(tài)。PLC根據(jù)運行狀態(tài)分別編寫相應(yīng)的子程序。系統(tǒng)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(jié)流閥6的閥口開至最大：電液比例溢流閥8調(diào)到設(shè)定壓力；起動液壓泵，當(dāng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時，起動主電動機；主電動機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電液比例節(jié)流閥6按一定規(guī)律關(guān)閉閥口：當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速達(dá)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(xiàn)泄荷。
5、結(jié)論
    帶式輸送機可控變速裝置是機電液有機結(jié)合的機電一體化產(chǎn)品，電控系統(tǒng)以先進(jìn)的PLC及其配套模塊作為主控系統(tǒng)，液壓控制閥的驅(qū)動采用了ATOS的電子放大器，整個系統(tǒng)功能完善，制造成本低。經(jīng)過實驗測試，該系統(tǒng)總體性能接近美國的CST系統(tǒng)，但制造成本顯著低于CST系統(tǒng)，能夠滿足我國煤炭生產(chǎn)的需要，推廣應(yīng)用前景廣闊，是大運量、長距離帶式輸送機比較理想的驅(qū)動裝置。