管保琴

(平朔電力工程有限公司，山西 朔州 036000)

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基于PLC及變頻器的皮帶運輸機自動調(diào)速控制系統(tǒng)改造

管保琴

(平朔電力工程有限公司，山西 朔州 036000)

設(shè)計了以可編程控制器PLC及變頻器控制為核心的帶式輸送機控制系統(tǒng)，詳細(xì)敘述了該系統(tǒng)的硬件電路，并給出相應(yīng)的梯形圖。系統(tǒng)采用PLC對各種信號進(jìn)行采樣和集中控制，同時完成相關(guān)數(shù)據(jù)的運算，并實現(xiàn)了閉環(huán)控制，對異步電動機采用變頻調(diào)速方案，以實現(xiàn)平滑的自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、節(jié)約能源的目的。

皮帶運輸機；調(diào)速；PLC；變頻器

1　概述

項目概況：電動機為高壓電機，利用高壓電機驅(qū)動液力偶合器，通過液力偶合器進(jìn)行調(diào)速。皮帶長120 m，寬1.6 m。皮帶秤輸出：0～600 t(0 V～10 V)。

改造要求：

1) 根據(jù)皮帶運量大小自動調(diào)節(jié)皮帶運行速度。

2) 檢測系統(tǒng)內(nèi)各臺設(shè)備的運行參數(shù)和運行狀況。

3) 具有過電壓、欠電壓、過電流及接地保護(hù)等基本保護(hù)功能。

針對該系統(tǒng)，在不改變原電動機及皮帶的前提下，通過采用PLC及變頻器實現(xiàn)自動控制，使原有系統(tǒng)工作更加可靠、高效。根據(jù)要求實現(xiàn)的功能，現(xiàn)初步分析如下：

1) 閉環(huán)控制：以電機的實時速度為被控量，系統(tǒng)根據(jù)皮帶運量大小自動調(diào)節(jié)電機速度，從而調(diào)節(jié)皮帶速度。

2) 實時檢測和控制：系統(tǒng)通過合理配置實時速度及實時運量傳感器系統(tǒng)，將檢測的數(shù)據(jù)通過變送器經(jīng)PLC采集后，由PLC通過變頻器系統(tǒng)對皮帶轉(zhuǎn)速實現(xiàn)自動調(diào)速控制。

3) 系統(tǒng)保護(hù)：在系統(tǒng)電氣回路中，通過電壓互感器以及電流互感器進(jìn)行測量，通過加入各種控制繼電器，實現(xiàn)對主電路的繼電保護(hù)。

綜合分析表明，可以在不改變原電動機及皮帶機的條件下，完成新的控制任務(wù)要求。

2　帶式輸送機及液力偶合器簡介

帶式輸送機是連續(xù)運輸機的一種，其運輸特點是形成裝載點到卸載點之間連續(xù)物料流，靠連續(xù)物料流的整體運動來完成物流從裝載點到卸載點的輸送。

液力偶合器是電機軸與皮帶驅(qū)動滾筒(或調(diào)速機構(gòu))柔性連接器件，靠著液體的傳動，使動力機和工作機柔性地聯(lián)接在一起，可以避免鋼性連接時對電機及調(diào)速機構(gòu)造成損傷。

2.1帶式輸送機分類及工作原理

2.1.1帶式輸送機分類方法

帶式輸送機分類方法有多種，按運輸物料的輸送帶結(jié)構(gòu)可分成兩類，一類是普通型帶式輸送機，另外一類是特種結(jié)構(gòu)的帶式輸送機。

2.1.2帶式輸送機工作原理

帶式輸送機又稱膠帶運輸機，其主要部件是輸送帶，亦稱為膠帶，輸送帶兼作牽引機構(gòu)和承載機構(gòu)。帶式輸送機組成如下圖，1所示。它主要包括以下幾個部分：輸送帶、托輥及中間架、滾筒拉緊裝置、制動裝置、清掃裝置和卸料裝置等。

1-皮帶；2-主動滾筒；3-機尾換向滾筒；4-托輥

2.2液力偶合器調(diào)速原理及特點

2.2.1液力偶合器結(jié)構(gòu)及調(diào)速機理

液力偶合器以液體為介質(zhì)傳遞功率，當(dāng)動力機通過輸入軸帶動泵輪轉(zhuǎn)動時，充注在工作腔中的工作液體在離心力作用下，沿泵輪葉片流道向外緣流動，使液體的動量矩增大。當(dāng)工作液體由泵輪沖向?qū)γ娴臏u輪時，工作液體便沿渦輪葉片流道做向心流動，同時釋放能量并將其轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動工作機做功。

改變液力偶合器工作腔的充滿度，便可以調(diào)節(jié)輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速，充滿度升高則輸出轉(zhuǎn)速升高，反之則降低，并可實現(xiàn)無級調(diào)速。

1-背殼；2-渦輪；3-工作腔；4-泵輪；5-外殼；6-電動執(zhí)行器；

2.2.2液力偶合器調(diào)速特點

1) 優(yōu)越性：a) 無級調(diào)速；b) 空載起動；c)隔離振動；d) 過載保護(hù)；e) 工作可靠，壽命長；f) 軟起動，軟停止；g) 便于控制；h) 不受電動機電壓高低的限制；i) 降低噪聲。

2) 局限性：由于還需另配主電機啟動設(shè)備，專門的油液冷卻散熱系統(tǒng)，所以致使系統(tǒng)運行效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且體積大，損耗大，維護(hù)量大，價格適中。

3　變頻調(diào)速系統(tǒng)原理及特點

3.1變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理及特點

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：

n=60f(1-s)/p.

式中：n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù))；通過改變電動機工作電源頻率達(dá)到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

變頻調(diào)速傳動的特點是可以使標(biāo)準(zhǔn)電動機調(diào)速，可以連續(xù)調(diào)速，電動機啟動電流小，最高速度不受電源影響。

3.2變頻器在皮帶機拖動系統(tǒng)中的應(yīng)用及其特點

利用變頻器拖動電動機，起動電流小，可以實現(xiàn)軟起動和無級調(diào)速，使電動機獲得高性能，大幅度地節(jié)約電能，具體到帶式輸送機上，又有其自身的特點：

1) 優(yōu)越的軟起動、軟停止特性：變頻器的起動、停止時間是任意可調(diào)(0～600 s)的，可將皮帶機起停時產(chǎn)生的沖擊減少至最小。

2) 驗帶功能：變頻調(diào)速系統(tǒng)為無級調(diào)速的交流傳動系統(tǒng)，在空載驗帶狀態(tài)下，變頻器可調(diào)整電機工作在5%～100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速。

3) 平穩(wěn)的重載起動：由于變頻器采用無速度傳感器矢量控制方式，低頻運轉(zhuǎn)可輸出1.5-2倍額定轉(zhuǎn)矩，因此最適于“重載起動”。

4) 功率平衡：皮帶機系統(tǒng)多為雙滾筒驅(qū)動或多滾筒驅(qū)動，通過調(diào)整相應(yīng)兩變頻器的速度給定和轉(zhuǎn)矩給定，形成一個動態(tài)的功率平衡系統(tǒng)。

5) 自動調(diào)速、節(jié)電效果明顯：在負(fù)載輕或無負(fù)載時，可控制變頻器降速或提前升速，可大大節(jié)約電能。

6) 降低膠帶張力：由于采用變頻器所產(chǎn)生的良好起動特性，至少可降低起動張力30%。

7) 具有工頻轉(zhuǎn)換功能(可選功能)：可以轉(zhuǎn)換到工頻旁路工作，檢修時間維護(hù)變頻器。

8) 具有通訊功能：變頻器相互之間，變頻器與集控系統(tǒng)計算機之間都具有方便的通訊功能。

9) 具有完善的保護(hù)功能：具有過壓欠壓過流過載超溫等保護(hù)功能，能夠很好保護(hù)電機。

10) 下運皮帶機上的完美應(yīng)用：變頻器的矢量控制的優(yōu)良性能在下運皮帶機控制上可實現(xiàn)減速制動，防止飛車，更為安全可靠簡單。

4　控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)至少應(yīng)包括測量、變送元件、控制器等組成的自動控制裝置和被控對象。當(dāng)被控對象受到擾動時，被控對象的輸出量(被控量)就要發(fā)生變化，被控量的變化經(jīng)過測量、變送元件測量與變換成電量后送入比較元件與給定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生了偏差值。偏差信號送入控制器，在控制器中進(jìn)行控制規(guī)律運算后，輸出控制信號，控制量再作用到被控對象，使被控量恢復(fù)到給定值。PLC實現(xiàn)對各種輸入輸出信號的集中控制和對反饋量與給定值進(jìn)行比較運算。轉(zhuǎn)速檢測采用正交增量式脈沖編碼器。一是由于比測速發(fā)電機運行可靠，容易實現(xiàn)與PLC輸入信號的連接；二是由于測速精度高，可以很方便的實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)檢測。

5　系統(tǒng)硬件連接框圖

采用德國西門子公司生產(chǎn)的PLC對系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，拖動方案采用變頻調(diào)速對籠形三相異步電動機進(jìn)行調(diào)速。從而滿足改造任務(wù)要求，實現(xiàn)閉環(huán)控制及實現(xiàn)節(jié)能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如3圖所示。

圖3　系統(tǒng)硬件連接框圖

6　PLC選型及模塊選型

6.1信號匯總

根據(jù)對數(shù)字量輸入輸出及模擬量輸入輸出點位進(jìn)行綜合分析，得出以下信號匯總情況：

數(shù)據(jù)類型點位數(shù)量數(shù)字量輸入30點數(shù)字量輸出26點模擬量輸入4路模擬量輸出1路

6.2PLC及模塊選型

由于系統(tǒng)對程序大小及處理速度要求不是很苛刻，故小型化PLC S7-200系列足以滿足要求。為減少擴展模塊數(shù)量降低成本，故選用CPU224模塊一塊，配以數(shù)字量I/O擴展模塊SM233一塊，模擬量輸入/輸出模塊SM235一塊。

7　軟件流程圖及系統(tǒng)控制說明

7.1軟件流程圖

以下是本改造——基于PLC及變頻器的皮帶運輸機自動調(diào)速控制系統(tǒng)改造梯形圖程序的軟件流程圖。它比較直觀的顯示出系統(tǒng)的啟動過程，以及當(dāng)發(fā)生各種故障時，PLC需要完成的控制功能。

圖4　軟件流程圖

7.2系統(tǒng)控制說明

本改造中需要PLC對各種信號進(jìn)行采集，然后，根據(jù)控制工藝要求對各種輸出進(jìn)行控制。在系統(tǒng)啟動前需完成“合閘控制”使系統(tǒng)上電；當(dāng)啟動/停車按鈕發(fā)出啟動/停車信號后，需完成“啟動/停車控制”；在系統(tǒng)運行過程中，一旦發(fā)生故障，還需要對系統(tǒng)進(jìn)行各種“故障控制”，以保證設(shè)備及人身的安全；當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)行檢修隔離時，還需要完成“就地/集控方式控制”。

◆ 合閘控制：當(dāng)合閘按鈕按下后，控制電路先合閘，即控制回路接觸器先接通控制電路；然后，主電路中接觸器通電接通變頻器輸出至電機側(cè)的電路；最后，主電路先接通斷路器而后接通高壓進(jìn)線側(cè)的高壓斷路器，至此，系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒。

◆ 啟動控制：系統(tǒng)啟動按鈕按下后，當(dāng)啟動許可信號(輕/重跑偏、斷帶、煙霧、超溫、無料、堆料、滿倉、缺相均off；集控方式啟用on)正常，PLC輸出啟動預(yù)告報警聲音信號，延時4s后，當(dāng)變頻器運行許可信號(變頻器就緒on)正常，PLC啟動信號輸出，變頻器“啟動/停車”數(shù)字輸入為1，電機啟動，同時給出運行指示燈。

◆ 正常停車控制：停車按鈕按下后，PLC斷開變頻器輸出支路，變頻器“啟動/停車”數(shù)字輸入為0，系統(tǒng)停車，同時運行指示燈滅。

◆ 故障控制：皮帶控制系統(tǒng)的故障類型比較多，對該系統(tǒng)的故障大體可分為以下四類，分別對待，由PLC完成自動控制后輸出。

1) 當(dāng)檢測到以下任一故障信號(皮帶嚴(yán)重跑偏、打滑、斷帶、煙霧、超溫、堆料、滿倉、L1/L2/L3缺相均on)時，PLC“啟動/停車”輸出信號0，系統(tǒng)停車，同時指示故障類型，發(fā)出聲光報警。

2) 當(dāng)輕度跑偏on時，系統(tǒng)繼續(xù)運行，發(fā)出聲光報警，同時指示故障類型。

3) 當(dāng)主回路接觸器、高壓斷路器故障時，(此時主回路已斷電，系統(tǒng)停車)，PLC“啟動/停車”輸出信號0，指示故障類型，同時發(fā)出聲光報警。

4) 當(dāng)控制回路接觸器、斷路器故障時，PLC“啟動/停車”輸出信號0，系統(tǒng)停車，同時發(fā)出聲光報警，指示故障類型。

◆ 就地/集控控制：變頻器、電動機的機旁操作箱上，均設(shè)有一個就地/集控手動選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)打在就地方式位置時，表明該設(shè)備正處于檢修狀態(tài)，不允許PLC啟動系統(tǒng)。只有當(dāng)兩個選擇開關(guān)均打在集控方式位置時，允許PLC啟動系統(tǒng)，且該選擇開關(guān)僅在系統(tǒng)停車后才有效。

8　結(jié)束語

采用PLC控制的自動化皮帶輸送機變頻控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，性能穩(wěn)定，運行可靠。另外還可以根據(jù)實際需要很方便地進(jìn)行擴展。程序稍作修改，就可以滿足用戶不同的控制要求，對于現(xiàn)代傳輸業(yè)，控制系統(tǒng)還可以通過通訊模塊納入到整個傳輸監(jiān)控系統(tǒng)之中，體現(xiàn)出極大的靈活性和適應(yīng)性，具有極高的實際推廣價值。

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Transformation of Automatic Speed Regulating Control System of Belt Conveyor Based on PLC and Frequency Converter

Guan Baoqin

(PingshuoElectricalEngineeringLtd.,PingshuoShanxi036000,China)

In this paper, the control system of belt conveyor which is controlled by programmable controller PLC and inverter is designed. The hardware circuit of system is described in details, and the corresponding ladder diagram is given. The system uses PLC to sample and centralized control to various signals, the relevant data of operation and the closed loop control is made. The asynchronous motor uses VVVF scheme to achieve a smooth automatic speed regulation and saving energy. Because the transformation of the system can automatically adjust the belt speed according to the belt, so the system takes the motor as the controlled object, and the motor speed is controlled by a servo closed-loop control system. This transformation method is widely applied to the control of all kinds of transport machinery in the industrial and mining enterprises and the transportation departments of the port. The application shows that the inverter control system based on PLC has the advantages of simple operation, reliable operation, low energy consumption and easy maintenance.

belt conveyor; adjust speed; PLC; converter

2016-04-07

2016-06-29

管保琴(1974- )，男，山西懷仁人，助理工程師，畢業(yè)于燕山大學(xué)機電一體化技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任平朔電力工程有限公司電氣運行部主管。

1674- 4578(2016)04- 0052- 04

TP29

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