1、前言
    平煤天安十礦是一座年產(chǎn)原煤300萬噸的大型煤礦。隨著采區(qū)延伸，采煤工藝的提高和戰(zhàn)線的延長(zhǎng)，己四采區(qū)的運(yùn)煤、運(yùn)人任務(wù)日益繁重。十礦原己四運(yùn)輸系統(tǒng)（十礦己四總機(jī)巷）總長(zhǎng)為1600米，平均坡度為15.5度，原來由六部一米膠帶承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)。現(xiàn)已經(jīng)無法滿足己四采區(qū)生產(chǎn)的需要。因此，集團(tuán)公司、天安十礦決定對(duì)己四運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造：將原來的六部小膠帶拆除，改造安裝成防爆變頻鋼絲繩牽引鋼纜膠帶運(yùn)輸機(jī)，承擔(dān)運(yùn)人、運(yùn)煤任務(wù)，并緩解軌道運(yùn)輸壓力。
    方案定出后，首要問題是選擇合適的拖動(dòng)系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)普遍應(yīng)用以繼電器、接觸器和直流調(diào)速為主的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)存在著硬件線路復(fù)雜，可靠性低，能耗大，生產(chǎn)維修量大等許多缺點(diǎn)，其最大的缺點(diǎn)是不具備防爆功能。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，交流變頻調(diào)速裝置在我國(guó)的應(yīng)用有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于變頻調(diào)速在頻率范圍、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)矩、通訊功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率等方面都是以往的直流調(diào)速方式無法比擬的．經(jīng)過技術(shù)研究人員的論證考察，決定采用目前國(guó)際上先進(jìn)的防爆交流變頻調(diào)速裝置作為鋼纜膠帶的拖動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)我礦提出的設(shè)計(jì)要求，唐山開誠(chéng)電器有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的防爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合行業(yè)防爆標(biāo)準(zhǔn)，滿足鋼纜膠帶拖動(dòng)系統(tǒng)的需求。2、設(shè)計(jì)研究
2.1可行性研究。
    鋼絲繩牽引鋼纜膠帶輸送機(jī)需要解決的突出問題是兩根鋼絲繩的同步問題，即兩根鋼絲繩的線速度需相同，否則會(huì)引起鋼纜膠帶在運(yùn)行當(dāng)中出現(xiàn)調(diào)斜、撕帶等問題。要解決這個(gè)問題，就需要解決電機(jī)的同步問題，于是采用了可靠的PLC控制系統(tǒng)．PLC通過輸入模塊接收外部的數(shù)字量／模擬量信號(hào)輸入，PLC接收到這些輸入信號(hào)后，將它們存放在CPU的輸入存儲(chǔ)區(qū)，CPU根據(jù)預(yù)先編好的程序，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理，其結(jié)果存放在CPU的輸出存儲(chǔ)區(qū)，然后將這些處理結(jié)果通過輸出模塊輸出數(shù)字量／模擬量信號(hào)，控制繼電器的得電/失電或指示燈的開亮／熄滅，從而達(dá)到邏輯控制的目的。PLC用于邏輯控制時(shí)，其功能相當(dāng)于多個(gè)無觸點(diǎn)繼電器的邏輯組合。PLC具有內(nèi)部定時(shí)器及內(nèi)部計(jì)數(shù)器功能，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制邏輯和脈沖計(jì)數(shù)。通過PLC的AD模擬量輸入和DA的模擬量的輸出轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)PID控制器，經(jīng)控制l控制2的OUT±給定O-lOv電壓，任意調(diào)節(jié)速度反饋的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)四象限變頻器的同步，從而解決了電機(jī)同步問題．如（圖1）；交流變頻技術(shù)解決了電機(jī)調(diào)速，定做的防爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合行業(yè)防爆標(biāo)準(zhǔn)
    眾所周知，鋼絲繩是一個(gè)彈性體，在靜止或運(yùn)行時(shí)鋼絲繩內(nèi)儲(chǔ)存了大量的能量，在鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機(jī)起動(dòng)過程中，如果不是軟起動(dòng)，鋼絲繩內(nèi)儲(chǔ)存的能量就將很快釋放出去，在鋼絲繩上形成張力波并迅速沿著鋼絲繩傳輸出去，巨大的張力波極易將鋼絲繩拉斷或使其脫離繩輪．采用變頻調(diào)速裝置可以很好的解決這一問題：變頻調(diào)速的調(diào)速范圍廣，起動(dòng)加速度可調(diào)，可以使鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機(jī)真正實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，將電機(jī)的軟起動(dòng)和鋼絲繩的彈性性能合二為一，通過電機(jī)的緩慢起動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲繩的緩慢起動(dòng)，將鋼絲繩內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量緩慢釋放，這樣鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機(jī)在起動(dòng)過程中形成的張力波很小，不會(huì)對(duì)鋼絲繩造成任何損害。交流變頻調(diào)速不但能使鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機(jī)真正實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，而且其起動(dòng)平滑，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可以有效的消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備。變頻器是一種電子器件的集成，它將機(jī)械壽命轉(zhuǎn)化為電子壽命，而電子器件的壽命很長(zhǎng)，這樣大大降低了設(shè)備的維護(hù)量。采用變頻調(diào)速裝置拖動(dòng)鋼纜膠帶可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)和效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
2.2驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    根據(jù)己四采區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)能力和交流電動(dòng)機(jī)的性能等因素，經(jīng)過技術(shù)研究人員的論證，如果采用變頻調(diào)速，雖然可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，但是運(yùn)人膠帶的低速運(yùn)轉(zhuǎn)要求電動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期低速運(yùn)轉(zhuǎn)。為了解決電機(jī)的防爆和散熱問題．我們選用了“隔爆型三相交流異步水冷電動(dòng)機(jī)”．采用4x250KW隔爆型三相交流異步水冷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。具體拖動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2所示。
    由圖可知，采用兩臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)減速機(jī)：1#、2#電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)1#減速機(jī)，1#減速機(jī)拖動(dòng)1#驅(qū)動(dòng)輪；3#、4#電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)2#減速機(jī)，2#減速機(jī)拖動(dòng)2#驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪拖動(dòng)鋼絲繩帶動(dòng)鋼纜膠帶運(yùn)行。
    考慮到生產(chǎn)中可能遇到的問題，這套變頻調(diào)速系統(tǒng)采用四臺(tái)變頻調(diào)速裝置單獨(dú)供電的方式，即使其中一臺(tái)變頻調(diào)速裝置出現(xiàn)故障，可以將其斷電進(jìn)行檢修由另外三套系統(tǒng)拖動(dòng)鋼纜膠帶而不影響生產(chǎn)。
2.3防止防爆變頻鋼絲繩牽引鋼纜膠帶下滑的設(shè)計(jì)
    “安全是煤礦最大的政治，安全是職工最大的福利。”這套防爆變頻鋼纜膠帶不僅承擔(dān)著己四系統(tǒng)運(yùn)煤的任務(wù)．同時(shí)也是職工升入井的主要通道，擔(dān)負(fù)著職工升入井的重任，可見其安全性能的重要性。
  考慮到防爆變頻鋼絲繩牽引鋼纜膠帶的長(zhǎng)度，運(yùn)輸最大煤量在制動(dòng)盤上產(chǎn)生的力矩，經(jīng)過計(jì)算設(shè)計(jì)了液壓控制的盤形閘制動(dòng)器一級(jí)制動(dòng)、二級(jí)制動(dòng)，和緊急制動(dòng)下的電機(jī)液壓抱閘裝置，另外為防止人為因素制動(dòng)不及時(shí)，而使膠帶倒轉(zhuǎn)，我們?cè)诿颗_(tái)減速機(jī)輸出軸的另一端增加了逆止器，使防爆變頻鋼絲繩牽引鋼纜膠帶有了可靠的雙保險(xiǎn)制動(dòng)，從而有效地防止了鋼纜膠帶停車時(shí)地慣性下滑。
    為了提高系統(tǒng)的安全系數(shù)，這套系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分體現(xiàn)了安全第一的原則。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)安裝有膠帶斷帶保護(hù)、鋼絲繩脫槽保護(hù)、膠帶脫槽保護(hù)、超速保護(hù)、乘人越位保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)，來保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
2.4通訊，保護(hù)的實(shí)現(xiàn)
  通訊設(shè)有主站，經(jīng)FX2N-32CCL適配器和PLC連好后，交換數(shù)據(jù)，根據(jù)特殊數(shù)據(jù)寄存器指定交換數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)，地址用來自PLC的RS指令設(shè)定，并使用PLC的數(shù)據(jù)寄存器作為數(shù)據(jù)交換，也就是為了這些特殊單元與PLC之間進(jìn)行信號(hào)交換，應(yīng)根據(jù)FX2N-32CCL通訊模塊的連接位置確定．因此要求人與機(jī)械的溝通，在FX系列PLC中這樣就形成了一個(gè)方便人機(jī)接口的數(shù)據(jù)存取單元系列。
    PLC與觸摸屏是不可分開的一音5分，它有計(jì)數(shù)器等監(jiān)視和設(shè)定值變更的專用單元，也有信息功能豐富的高級(jí)功能單元。主要功能有數(shù)據(jù)存取功能、狀態(tài)監(jiān)視功能，和自行設(shè)計(jì)觸摸屏畫面顯示各種保護(hù)的功能。
    保護(hù)功能有一級(jí)急停乘人越位保護(hù)，二級(jí)電‘氣制動(dòng)乘人越位保護(hù)和沿巷脫繩保護(hù)、斷帶保護(hù)、跑偏保護(hù)，機(jī)尾張緊繩保護(hù)、配重保護(hù)功能。這些保護(hù)都來自通訊零電壓反饋，到PLC經(jīng)過運(yùn)算處理后完成各項(xiàng)保護(hù)功能。也就是說AJ655BJBl-32DT芯片處理后到每一組分接箱反饋零電壓給PLC進(jìn)行計(jì)算處理。一但保護(hù)動(dòng)作，反饋零電壓回路斷開，鋼纜膠帶保護(hù)自行進(jìn)入通道轉(zhuǎn)換，使低速繼電器K26和PLC1、K22、K23、K27、動(dòng)作斷開，同時(shí)PLC3、K20斷開變頻器運(yùn)行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電氣制動(dòng)正常停車。并且觸摸屏顯示出保護(hù)動(dòng)作的具體位置和故障類型。
2.5機(jī)尾拉緊裝置的設(shè)計(jì)
    通過對(duì)斜井鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機(jī)尾鋼絲繩張緊的研究比較，我們發(fā)現(xiàn)，一方面采用重錘張緊其配重下方易被積煤支護(hù)，使重錘起不到重錘作用，造成松繩；另一方面采用重錘張緊，緊急停車時(shí)易過卷或易斷繩，從而達(dá)不到張緊鋼絲繩的理想效果：因而我們采用了液壓張緊裝置。它主要由液壓站、儲(chǔ)能器、千斤頂三者組成，用來張緊鋼絲繩，這樣可以避免過卷和斷繩，同時(shí)對(duì)液壓站設(shè)定壓力上下限（上限自動(dòng)停油泵，下限自動(dòng)開啟油泵），多余壓力存儲(chǔ)在蓄能器里，使千斤頂伸縮自由，實(shí)現(xiàn)張緊作用。
3、工業(yè)性試驗(yàn)報(bào)告
  天安十礦己四防爆變頻鋼纜膠帶于2月23日安裝完工，對(duì)其進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表：
  試運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果表明，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)轉(zhuǎn)，各種保護(hù)動(dòng)作靈敏可靠。
4、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益
  平煤集團(tuán)對(duì)十礦防爆變頻調(diào)速拖動(dòng)鋼纜膠帶項(xiàng)目非常重視，將其列為集團(tuán)公司重大科技攻關(guān)投資項(xiàng)目，2006年集團(tuán)公司八件實(shí)事之一，總投資1500多萬元。單從投資上看，防爆變頻技術(shù)的成本是比較高的。但其維護(hù)費(fèi)用低，節(jié)約電能。自從2月23日投入使用以來其經(jīng)濟(jì)效益明顯：
  開機(jī)工作制：年工作300天，每天20小時(shí)，效率為80%．應(yīng)用變頻器年節(jié)約電能為
  (1800-1000)x300x20x80%=384萬KW-h
  工業(yè)用電按0.47元/KW．h計(jì)算，每年電費(fèi)
一項(xiàng)就節(jié)約：
    384x0.47=180.48萬元
    己四防爆變頻鋼纜膠帶投入前，己四總機(jī)巷六部膠帶的運(yùn)行需要9名司機(jī)，現(xiàn)在只需要6名司機(jī)每個(gè)崗位按系數(shù)1.5，一個(gè)班少用5人，三班就是15人。大大節(jié)約了人力資源，其人均工資每月2000元計(jì)算，則年節(jié)約工資：
    15x2000x12=36萬元
    已四防爆變頻鋼纜膠帶的投入運(yùn)行，大大提高了己四總機(jī)巷的運(yùn)煤能力，每天可以提高運(yùn)煤量300噸。每噸原煤售價(jià)按350元，若一年按運(yùn)行300天計(jì)算，則年增加收入：
    300x350x300=3150萬元
    己四防爆變頻鋼纜膠帶投入運(yùn)行前，己四軌道擔(dān)負(fù)著已四采區(qū)工作人員的運(yùn)輸任務(wù)和運(yùn)料任務(wù)。但隨著三水平的開發(fā)和運(yùn)輸戰(zhàn)線的延伸拉長(zhǎng)，己四軌道的運(yùn)輸壓力越來越大。己四防爆變頻鋼纜膠帶的投入運(yùn)行大大緩解了這種壓力，提高了運(yùn)輸效率。