于代林 馬企宏 張文宇

(1：鞍鋼集團礦業(yè)公司設備檢修中心 遼寧鞍山114000;2：北京科技大學機械工程學院 北京100083)

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皮帶系統(tǒng)綜合測控分析

于代林①1馬企宏1張文宇2

(1：鞍鋼集團礦業(yè)公司設備檢修中心 遼寧鞍山114000;2：北京科技大學機械工程學院 北京100083)

利用西門子S7300可編程控制器，對皮帶系統(tǒng)進行功能整合自動化改造，使其具備遠程控制、多皮帶自動化配料控制、皮帶物料測重功能；控制皮帶自動校驗裝置進行動態(tài)過程校驗，皮帶的過鐵檢測和控制，實現(xiàn)皮帶驅動的綜合保障功能；與上級控制網(wǎng)絡通訊，保障了皮帶系統(tǒng)的安全運行，提高了系統(tǒng)的智能化控制水平。

皮帶 綜合測控 智能化控制

1 概述

選礦、球團及冶金行業(yè)的給料皮帶、配料皮帶種類繁多，由于其用途不同，需要的檢測、保護及控制方式也不相同。比如，破碎機給料皮帶，有與其他皮帶共性的部分(急停、跑偏、撕裂、零速、驅動綜保系統(tǒng)控制等)，也有其特殊要求(過鐵保護、工藝測重、變頻控制、與主體設備連鎖控制)；又如，配料系統(tǒng)，各個皮帶需要測重也需要驅動綜保、啟動方式控制，還要與上下級設備連鎖控制，有的還需要接入?yún)^(qū)域控制系統(tǒng)中[1]。歸納起來，皮帶系統(tǒng)的測控需要完成以下功能：

1)通過工作制開關，可以實現(xiàn)遠程、本地的操作和自動控制功能；

2)實現(xiàn)多皮帶系統(tǒng)的工藝配料功能；

3)完成對皮帶物料的工藝測重及數(shù)據(jù)管理；

4)實現(xiàn)控制校驗裝置的控制過程，實現(xiàn)自校功能；

5)實現(xiàn)給料皮帶的過鐵檢測和控制；

6)完成皮帶給料機的測控，實現(xiàn)“綜保”功能(綜合保障功能)；

7)與上級控制系統(tǒng)進行通訊。

2 實施方案

要完成以上所有功能，并整合到一個控制器中，按現(xiàn)場需求不同進行選擇性接入，這樣就會實現(xiàn)皮帶系統(tǒng)的集中控制，大大方便設備維護和管理，實施的方案：

1)利用可編程序控制器擴展相應功能模塊，實現(xiàn)對“本地”、“遠程”、自動控制方式的切換；

2)實現(xiàn)皮帶物料的工藝測重及自校功能。與測重裝置建立通訊，采集測重裝置內瞬時量、累積量、零點、量程等工藝數(shù)據(jù)；實現(xiàn)遠程、本地皮帶校驗標定功能，標定結果上傳至上位監(jiān)控計算機進行監(jiān)測、控制，完成皮帶物料測重的自校功能；

3)在該控制器內編制相應皮帶配料程序，可以實現(xiàn)單條或者多條皮帶的工藝配料功能；

4)完成皮帶系統(tǒng)各類保護開關(急停、跑偏、撕裂、零速)的檢測、控制，并采用總線方式通訊；

5)實現(xiàn)破碎機等破礦給料的過鐵保護和控制；

6)實現(xiàn)皮帶給料機電機的電流、電壓檢測及綜保功能。

通過以上功能的實現(xiàn)，完成一體化功能，可以實現(xiàn)單一功能也能實現(xiàn)多功能；也可以與原設備進行連接，進行整合，完成指定功能；最終實現(xiàn)系列化、產品化。如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 綜合控制器總體設計

本項目中，選用了SIMATIC S7-300，它是一種通用型的PLC，能適合自動化工程中的各種應用場合，尤其是在生產制造工程中的應用。模塊化、無風扇結構、易于實現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點，使得S7-300在各種工業(yè)領域中實施各種控制任務時，成為一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案。

根據(jù)現(xiàn)場實際需要，本S7-300 PLC系統(tǒng)[3]由下面的模塊組成：

1塊中央處理單元CPU 315 2DP；

1塊數(shù)字量輸入模塊SM321，32×DC 24 V；

1塊數(shù)字量輸出模塊SM322， 32×24 V DC；

l塊模擬量輸入模塊SM331，8×12位；

l塊串行口通訊模塊CP342，支持MODBUS通訊協(xié)議；

l塊工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊CP343，支持工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議；

硬件組態(tài)圖略。

現(xiàn)場的工作制轉換開關“本地”、“遠程”狀態(tài)信號接入擴展DI接口模塊SM321，實現(xiàn)本地、遠程控制方式轉換，即工作制轉換開關為“本地”時，為現(xiàn)場手動操作控制；工作制轉換開關為“遠程”時，為遠程監(jiān)控計算機畫面操作控制。

3.2 驅動系統(tǒng)綜保功能設計

現(xiàn)場皮帶系統(tǒng)的拉繩、跑偏、事故開關等保護信號接入擴展DI接口模塊SM321，檢測該類保護信號是否動作，觸發(fā)相應連鎖保護控制；通過電機驅動系統(tǒng)的電流、電壓、功率、溫度等檢測[4]，接入擴展DI接口模塊SM331，實現(xiàn)過電流、電壓、功率、溫度等報警及保護功能。以上功能組成驅動裝置的“綜?！毕到y(tǒng)。如圖2所示。

圖2 皮帶綜保示意圖

3.3 皮帶物料測重裝置設計

將經(jīng)過皮帶上的物料，通過稱重秤架下的稱重傳感器進行檢測重量，以確定皮帶上的物料重量；壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號，經(jīng)過變送器轉換為4～20mA電流信號，送入擴展AI模塊SM331；利用測速滾筒或滾輪與皮帶接觸，將皮帶的速度傳遞給速度傳感器，將皮帶的速度轉換為控制器可以接受的脈沖信號，每個脈沖代表皮帶行程的一個單位，脈沖頻率和皮帶速度成正比，檢測范圍為20～2000r/min，將該信號也過變送器轉換為4～20mA電流信號，送入擴展AI模塊SM331[5]?？刂破鞯腃PU 除了完成正常測量和控制功能外，增加了系統(tǒng)補償和優(yōu)化功能，進一步降低了系統(tǒng)誤差。將以下公式轉換為程序語言，編制于控制器中，計算出物料的瞬時量以及累計量。

皮帶測重公式：因為皮帶上的物料是不均勻的，皮帶機的速度也是波動的，因此T時間內的總輸送量是瞬時輸送量對時間的積分值,公式如下：

式中W(t)—瞬時輸送量，kg;Q(t)—瞬時單位長度上物料質量，kg/m; V(t)—瞬時皮帶傳送速度，m/s; P(t)—作用于稱重框架上的瞬時載荷量，kg;

L—稱重框架上的皮帶長度，m。

皮帶本身如同一根被等間距支承的、連續(xù)而水平的彈性梁，特別是當皮帶波動時，張力和彎曲剛度的綜合作用會使皮帶秤產生錯誤的加荷信號。因此，需要合適的算法補償：

P=nQLcosθ/12+2TD/L+24EID/L3

式中P—皮帶秤重量；N—托輥數(shù)；Q—垂直于皮帶的線載荷；L—托輥間距；T—皮帶的張力；E—皮帶槽骨架材料的彈性模量；I—皮帶槽截面的慣性矩；D—稱重托輥與鄰近托輥之間的波動量；θ—皮帶輸送機的傾角。

3.4 皮帶測重裝置自校驗功能設計

皮帶自校驗裝置的狀態(tài)與控制信號接入擴展DI、DO接口模塊SM321、SM322，與現(xiàn)場皮帶量程自校驗裝置的電器控制元件聯(lián)接，可以實現(xiàn)遠程[6]、本地皮帶校驗標定功能，標定結果可以上傳至上位監(jiān)控計算機供調度人員監(jiān)測、控制。

標定過程根據(jù)鏈碼模擬實物進行皮帶秤的校驗，首先利用綜合控制器進行皮帶零點標定后，停止皮帶運行，利用綜合控制器操作卷揚機將標定鏈碼放到皮帶秤稱重域內；啟動皮帶機，使得鏈碼與皮帶同步，根據(jù)測得的皮帶速度、設置的校驗時間，皮帶綜合控制器自動計算校驗時間內的流量瞬時值、累計值，找出誤差進行皮帶秤的自動校正。

3.5 皮帶物料配料控制設計

控制器不斷檢測秤架上物料的流量，并與控制器內的設定值進行比較，得到實際流量與設定值之間的偏差值。經(jīng)過控制器軟件計算后，稱重控制器輸出PID控制信號通過擴展Profibus或者Control net接口模塊到調速執(zhí)行設備(如變頻器)。調節(jié)皮帶或給料設備的速度，改變下料或出料量的大小，使之與設定值趨于一致，從而實現(xiàn)定量給料的目的，實現(xiàn)對皮帶給料的閉環(huán)控制，在該控制器內編制相應皮帶配料程序，可以實現(xiàn)單條或者多條皮帶的工藝配料功能。如圖3所示。

圖3 配料原理圖

3.6 皮帶給料過鐵保護控制設計

采用“探—檢—探”的檢測控制保護方案，在皮帶的頭尾安裝兩臺金屬探測器，形成一次、二次反復檢測，在皮帶中部合適位置安裝一臺電磁檢鐵器。三者的檢測信號和啟動信號，均送給皮帶綜合控制器的擴展DI模塊SM321，由控制器CPU進行智能判斷，進行過鐵的前期預判。其過程是：一次探測器檢測到過鐵信號，則通過控制器進行減速，通過撿鐵器后，如果二次探測器沒有過鐵報警，則恢復原來速度；如果還有過鐵信號，則停給料皮帶。通過對破碎機的工作壓力和功率，編制相應壓力平均波峰、功率平均波峰軟件保護程序，對一旦過鐵造成的二者參數(shù)改變，由控制器系

CPU進行判讀，控制破碎機設備進行過鐵保護動作(停給料)，保護主體設備安全；配合相應釋放缸、剪切管等機械設備，進行硬件聯(lián)鎖保護；在主體設備增加振動傳感器，根據(jù)振動情況破碎機選用相應保護程序(有條件停給料)。利用以上多種措施，實現(xiàn)對破碎機預防過鐵的測控保護系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 皮帶過鐵保護示意圖

3.7 通訊功能的設計

利用PLC可編程序控制器通過擴展以太網(wǎng)通訊接口模塊CP343，建立以太網(wǎng)通訊總線，將采集到的電子皮帶秤積算器內部數(shù)據(jù)、皮帶量程自校驗裝置的標定數(shù)據(jù)，以及“本地”、“遠程”選擇信號上傳至上位監(jiān)控計算機進行監(jiān)測、控制。網(wǎng)絡拓撲如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡拓撲圖

4 結論

本項目把測量與校驗、配料控制、綜?？刂啤⑦^鐵保護、手動與自動控制、通訊等有機整合在一個系統(tǒng)中，滿足了皮帶系統(tǒng)綜合測控的需求。本項目通過科技立項在礦山內部進行了實施，經(jīng)過驗證系統(tǒng)穩(wěn)定、可移植性強且方便實用。確保了測量部分的精度及保護、控制的準確，是皮帶系統(tǒng)綜合測控的發(fā)展方向，在礦山、冶金行業(yè)具有廣泛應用性。

[1]葛之輝，曾云南，趙保坤．選礦過程自動檢測與自動化綜述[J]．中國礦山工程，2006(12).

[2]謝劍英.微型計算機控制技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2001.

[3]陳潤泰,許琨．檢測技術與智能儀表．長沙：中南工業(yè)大學出版社，2005.

[4]李軍,李賦海．檢測技術及儀表．北京：中國輕工業(yè)出版社，2006.

[5]于永，戴佳，常江．51單片機C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設計實例精講．北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Analysis of Integrated Monitoring and Control of Belt System

Yu Dailin Ma Qihong Zhang Wenyu

(1:Mineral Company Equipment Overhaul Cooperation Center of Anshan Iron and Steel Group, Anshan 114000； 2:College of Mechanical Engineering of USTB, Beijing 100083)

Using Siemens S7 300 PLC to achieve the automation renovation of belt system by functional integration, making it realize the function of remote control, automatic batching control of multi-belt, weighing with situ belt material and so on, simultaneously control the belt automatic calibration device for dynamic checkout process, iron inspection and control, achieving a belt-driven integrated protection function, connecting with superior control by network traffic to guarantee the safe operation of the belt system, and raising the level of intelligent control system.

Belt Integrated measurement and control Intelligent control

于代林，1965年出生，畢業(yè)于沈陽航空航天大學計算機專業(yè)，碩士，高級工程師，多年從事礦山機械設備管理與研究

TF325

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.014

2013-10-10)