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，己四采區(qū)的運煤、運人任務(wù)日益繁重。十礦原己四運輸系統(tǒng)（十礦己四總機巷）總長為1600米，平均坡度為15.5度，原來由六部一米膠帶承擔運輸任務(wù)。現(xiàn)已經(jīng)無法滿足己四采區(qū)生產(chǎn)的需要。因此，集團公司、天安十礦決定對己四運輸系統(tǒng)進行改造：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輸機，承擔運人、運煤任務(wù)，并緩解軌道運輸壓力。
    方案定出后，首要問題是選擇合適的拖動系統(tǒng)。目前，國內(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，其最大的缺點是不具備防爆功能。進入20世紀90年代，交流變頻調(diào)速裝置在我國的應(yīng)用有了突飛猛進的發(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，決定采用目前國際上先進的防爆交流變頻調(diào)速裝置作為鋼纜膠帶的拖動系統(tǒng)。根據(jù)我礦提出的設(shè)計要求，唐山開誠電器有限責任公司設(shè)計的防爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速裝置的各項性能指標均符合行業(yè)防爆標準，滿足鋼纜膠帶拖動系統(tǒng)的需求。2、設(shè)計研究
2.1可行性研究。
    鋼絲繩牽引鋼纜膠帶輸送機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，否則會引起鋼纜膠帶在運行當中出現(xiàn)調(diào)斜、撕帶等問題。要解決這個問題，就需要解決電機的同步問題，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／模擬量信號輸入，PLC接收到這些輸入信號后，將它們存放在CPU的輸入存儲區(qū)，CPU根據(jù)預(yù)先編好的程序，對輸入信號進行運算、處理，其結(jié)果存放在CPU的輸出存儲區(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，控制繼電器的得電/失電或指示燈的開亮／熄滅，從而達到邏輯控制的目的。PLC用于邏輯控制時，其功能相當于多個無觸點繼電器的邏輯組合。PLC具有內(nèi)部定時器及內(nèi)部計數(shù)器功能，可以實現(xiàn)定時控制邏輯和脈沖計數(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，實現(xiàn)四象限變頻器的同步，從而解決了電機同步問題．如（圖1）；交流變頻技術(shù)解決了電機調(diào)速，定做的防爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速裝置的各項性能指標均符合行業(yè)防爆標準
    眾所周知，鋼絲繩是一個彈性體，在靜止或運行時鋼絲繩內(nèi)儲存了大量的能量，在鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機起動過程中，如果不是軟起動，鋼絲繩內(nèi)儲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，起動加速度可調(diào)，可以使鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機真正實現(xiàn)軟起動，將電機的軟起動和鋼絲繩的彈性性能合二為一，通過電機的緩慢起動，帶動鋼絲繩的緩慢起動，將鋼絲繩內(nèi)部儲存的能量緩慢釋放，這樣鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機在起動過程中形成的張力波很小，不會對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真正實現(xiàn)軟起動，而且其起動平滑，起動轉(zhuǎn)矩大，可以有效的消除機械的沖擊力，保護機械設(shè)備。變頻器是一種電子器件的集成，它將機械壽命轉(zhuǎn)化為電子壽命，而電子器件的壽命很長，這樣大大降低了設(shè)備的維護量。采用變頻調(diào)速裝置拖動鋼纜膠帶可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)和效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。
2.2驅(qū)動設(shè)計
    根據(jù)己四采區(qū)的實際生產(chǎn)能力和交流電動機的性能等因素，經(jīng)過技術(shù)研究人員的論證，如果采用變頻調(diào)速，雖然可以實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，但是運人膠帶的低速運轉(zhuǎn)要求電動機能夠長期低速運轉(zhuǎn)。為了解決電機的防爆和散熱問題．我們選用了“隔爆型三相交流異步水冷電動機”．采用4x250KW隔爆型三相交流異步水冷電動機進行拖動。具體拖動設(shè)計如圖2所示。
    由圖可知，采用兩臺電機拖動一臺減速機：1#、2#電動機拖動1#減速機，1#減速機拖動1#驅(qū)動輪；3#、4#電動機拖動2#減速機，2#減速機拖動2#驅(qū)動輪，驅(qū)動輪拖動鋼絲繩帶動鋼纜膠帶運行。
    考慮到生產(chǎn)中可能遇到的問題，這套變頻調(diào)速系統(tǒng)采用四臺變頻調(diào)速裝置單獨供電的方式，即使其中一臺變頻調(diào)速裝置出現(xiàn)故障，可以將其斷電進行檢修由另外三套系統(tǒng)拖動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
    “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著己四系統(tǒng)運煤的任務(wù)．同時也是職工升入井的主要通道，擔負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度，運輸最大煤量在制動盤上產(chǎn)生的力矩，經(jīng)過計算設(shè)計了液壓控制的盤形閘制動器一級制動、二級制動，和緊急制動下的電機液壓抱閘裝置，另外為防止人為因素制動不及時，而使膠帶倒轉(zhuǎn)，我們在每臺減速機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制動，從而有效地防止了鋼纜膠帶停車時地慣性下滑。
    為了提高系統(tǒng)的安全系數(shù)，這套系統(tǒng)在設(shè)計時充分體現(xiàn)了安全第一的原則。系統(tǒng)中設(shè)計安裝有膠帶斷帶保護、鋼絲繩脫槽保護、膠帶脫槽保護、超速保護、乘人越位保護等多項保護，來保證系統(tǒng)的安全運行。
2.4通訊，保護的實現(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之間進行信號交換，應(yīng)根據(jù)FX2N-32CCL通訊模塊的連接位置確定．因此要求人與機械的溝通，在FX系列PLC中這樣就形成了一個方便人機接口的數(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)計觸摸屏畫面顯示各種保護的功能。
    保護功能有一級急停乘人越位保護，二級電‘氣制動乘人越位保護和沿巷脫繩保護、斷帶保護、跑偏保護，機尾張緊繩保護、配重保護功能。這些保護都來自通訊零電壓反饋，到PLC經(jīng)過運算處理后完成各項保護功能。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進行計算處理。一但保護動作，反饋零電壓回路斷開，鋼纜膠帶保護自行進入通道轉(zhuǎn)換，使低速繼電器K26和PLC1、K22、K23、K27、動作斷開，同時PLC3、K20斷開變頻器運行信號，實現(xiàn)了電氣制動正常停車。并且觸摸屏顯示出保護動作的具體位置和故障類型。
2.5機尾拉緊裝置的設(shè)計
    通過對斜井鋼絲繩牽引鋼纜膠帶機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，使重錘起不到重錘作用，造成松繩；另一方面采用重錘張緊，緊急停車時易過卷或易斷繩，從而達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，同時對液壓站設(shè)定壓力上下限（上限自動停油泵，下限自動開啟油泵），多余壓力存儲在蓄能器里，使千斤頂伸縮自由，實現(xiàn)張緊作用。
3、工業(yè)性試驗報告
  天安十礦己四防爆變頻鋼纜膠帶于2月23日安裝完工，對其進行試運轉(zhuǎn)試驗。試驗結(jié)果如表：
  試運轉(zhuǎn)結(jié)果表明，電動機實現(xiàn)了同步運轉(zhuǎn)，各種保護動作靈敏可靠。
4、經(jīng)濟效益與社會效益
  平煤集團對十礦防爆變頻調(diào)速拖動鋼纜膠帶項目非常重視，將其列為集團公司重大科技攻關(guān)投資項目，2006年集團公司八件實事之一，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。但其維護費用低，節(jié)約電能。自從2月23日投入使用以來其經(jīng)濟效益明顯：
  開機工作制：年工作300天，每天20小時，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計算，每年電費
一項就節(jié)約：
    384x0.47=180.48萬元
    己四防爆變頻鋼纜膠帶投入前，己四總機巷六部膠帶的運行需要9名司機，現(xiàn)在只需要6名司機每個崗位按系數(shù)1.5，一個班少用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行，大大提高了己四總機巷的運煤能力，每天可以提高運煤量300噸。每噸原煤售價按350元，若一年按運行300天計算，則年增加收入：
    300x350x300=3150萬元
    己四防爆變頻鋼纜膠帶投入運行前，己四軌道擔負著已四采區(qū)工作人員的運輸任務(wù)和運料任務(wù)。但隨著三水平的開發(fā)和運輸戰(zhàn)線的延伸拉長，己四軌道的運輸壓力越來越大。己四防爆變頻鋼纜膠帶的投入運行大大緩解了這種壓力，提高了運輸效率。