張立勛， 孫 偉

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450000)

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連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張立勛， 孫 偉

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450000)

為解決外購(gòu)連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)的難題，自主研發(fā)已是迫在眉睫。以蒙華鐵路白城隧道出碴皮帶機(jī)為背景，對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、PLC編程、皮帶綜合保護(hù)和人機(jī)界面組態(tài)的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述,并重點(diǎn)介紹多電機(jī)功率平衡和皮帶自動(dòng)張緊等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程。完成了一套整體的連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際生產(chǎn)中的穩(wěn)定運(yùn)行。

連續(xù)皮帶機(jī)；控制系統(tǒng)；PLC；人機(jī)界面；功率平衡；自動(dòng)張緊

0 引言

連續(xù)皮帶機(jī)電控系統(tǒng)一般為成套外購(gòu)，如蘭州水源地、吉林引松等項(xiàng)目。作為外購(gòu)設(shè)備，會(huì)給產(chǎn)品升級(jí)、售后服務(wù)、設(shè)備配套帶來(lái)諸多不便。蒙華鐵路白城隧道連續(xù)皮帶機(jī)要求自主研發(fā)，項(xiàng)目由此展開(kāi)。

連續(xù)皮帶機(jī)的電控設(shè)計(jì)涉及總體規(guī)劃、PLC編程、人機(jī)界面組態(tài)、皮帶綜合保護(hù)等知識(shí)。國(guó)內(nèi)鮮有資料介紹連續(xù)皮帶機(jī)電控解決方案，大多都是介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝。王智遠(yuǎn)等[1]對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)配套TBM出碴技術(shù)進(jìn)行了探討；許金林等[2]分析了出碴體系和初步襯砌體系之間的矛盾并提出了解決方案；韓兵[3]闡述了斜井隧道連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)選型配置；李文帥[4]對(duì)羅賓斯TBM連續(xù)皮帶機(jī)急停系統(tǒng)的改造進(jìn)行了分析和研究。

鑒于此，本文對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)工作原理進(jìn)行深入分析后，結(jié)合蒙華鐵路白城隧道的施工現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)出一套完整的連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)解決方案。該控制系統(tǒng)自2016年10月以來(lái)經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化和完善，實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 項(xiàng)目概述

蒙華鐵路白城隧道位于陜西省靖邊縣，隧道總長(zhǎng)3 km，由連續(xù)皮帶和轉(zhuǎn)載皮帶負(fù)責(zé)出碴。連續(xù)皮帶機(jī)由2臺(tái)200 kW的電機(jī)在頭部驅(qū)動(dòng)。張緊絞車安裝在距離機(jī)頭100 m的位置，絞車電機(jī)功率為45 kW。轉(zhuǎn)載皮帶長(zhǎng)0.3 km，由1臺(tái)200 kW的電機(jī)在尾部驅(qū)動(dòng)，通過(guò)尾部張緊絞車張緊皮帶。皮帶機(jī)的位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

控制網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)控制系統(tǒng)的骨架，它負(fù)責(zé)各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。目前常用的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)有CAN總線、Profibus-DP總線、Profinet總線、Modbus總線等。Profibus-DP總線基于485通訊，應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)資料多，比較成熟，但通訊速度較慢；Profinet總線基于以太網(wǎng)通訊，是西門子近年推出的，通訊速度快、擴(kuò)展方便、性能穩(wěn)定，但資料相對(duì)較少。如果沒(méi)有大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，可以選擇自己較為熟悉的控制網(wǎng)絡(luò)模式，本項(xiàng)目選用Profibus-DP總線?？刂凭W(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖1 皮帶機(jī)布置圖Fig.1 Layout of belt conveyor

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of network structure

在圖2中，1套S7-300PLC作為DP主站，其他設(shè)備均為DP從站。光纖由洞外連續(xù)皮帶機(jī)配電房引至洞內(nèi)TBM主控室，實(shí)現(xiàn)連續(xù)皮帶機(jī)與TBM的數(shù)據(jù)交互。光端機(jī)選用西門子光纖鏈路模塊OLM G11-1300，使用西門子TP1200作為人機(jī)界面。

VFD1、VFD2、VFD3是3個(gè)主驅(qū)變頻器(需要配備DP通訊卡)；VFD4是張緊變頻柜；ZBG是皮帶綜合保護(hù)控制柜(內(nèi)裝遠(yuǎn)程IO)；IM153是西門子S7-300遠(yuǎn)程IO模塊。在洞外皮帶機(jī)控制室和洞內(nèi)TBM控制室內(nèi)均設(shè)置有觸摸屏，均可以直接進(jìn)行皮帶機(jī)的啟?？刂?、參數(shù)修改、報(bào)警查詢等操作。

2 PLC編程設(shè)計(jì)

2.1 CPU選型及IO模塊確定

CPU的選型是合理配置系統(tǒng)資源的關(guān)鍵，選擇時(shí)必須考慮控制系統(tǒng)對(duì)CPU的要求(包括系統(tǒng)集成功能、程序塊數(shù)量限制、各種位資源、MPI接口能力、是否有PROFIBUS-DP主從接口、RAM容量、編程軟件等)，最好在西門子公司的技術(shù)支持下進(jìn)行，以獲得合理的選型。鑒于上述情況并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目選用CPU315-2PN/DP(6ES7 315-2EH14-0AB0)作為主控制器。該CPU具有384 kB的RAM、MPI/DP組合接口，可擴(kuò)展32個(gè)IO模塊，完全滿足項(xiàng)目需要。

IO模塊的確定需要根據(jù)項(xiàng)目本身的特點(diǎn)進(jìn)行總體規(guī)劃。一般按照DI、DO、AI、AO 4類進(jìn)行分配。DI是數(shù)字量輸入模塊，選型時(shí)根據(jù)輸入的點(diǎn)數(shù)、按鈕(開(kāi)關(guān))的距離等進(jìn)行綜合考慮；DO是數(shù)字量輸出模塊，主要是控制外部設(shè)備的，如電機(jī)、風(fēng)機(jī)、指示燈等，選擇時(shí)一定注意被控對(duì)象的電壓等級(jí)；AI是模擬量輸入模塊，選擇時(shí)需要考慮傳感器點(diǎn)數(shù)、信號(hào)類型(電壓/電流/電阻)；AO是模擬量輸出模塊，一般輸出電壓和電流2種信號(hào)，需要根據(jù)被控對(duì)象(如變頻器速度、比例閥開(kāi)口等)進(jìn)行選擇。在CPU和IO模塊的選型過(guò)程中也參考了一些文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[5-9]。

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序涉及皮帶機(jī)順序啟停、多電機(jī)功率平衡、變頻自動(dòng)張緊及故障處理等內(nèi)容。由于多電機(jī)功率平衡和變頻自動(dòng)張緊內(nèi)容復(fù)雜，單獨(dú)放在后文章節(jié)介紹，這里僅介紹順序啟停程序的設(shè)計(jì)。皮帶機(jī)順碴土流動(dòng)方向停車，逆碴土流動(dòng)方向起車。啟動(dòng)和停止順序如下所示。

1)起車順序：張緊絞車—轉(zhuǎn)載皮帶—連續(xù)皮帶—TBM主機(jī)皮帶—刀盤。2)停車順序：刀盤—TBM主機(jī)皮帶—連續(xù)皮帶—轉(zhuǎn)載皮帶—張緊絞車。起車流程比較簡(jiǎn)單，不再贅述。皮帶機(jī)停車流程如圖3所示。

此外，急停程序也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分，急停設(shè)計(jì)應(yīng)考慮急停產(chǎn)生的條件和急停方式。一般情況下，拉繩被拉下、變頻器故障、急停按鈕被按、溜槽堵料等信號(hào)都是需要急停的。急停時(shí)，不管當(dāng)前皮帶機(jī)處于何種運(yùn)行方式，一旦接收到急停信號(hào)，就要以最快的速度停止所有設(shè)備(包括主驅(qū)動(dòng)、張緊絞車、噴水裝置等)。急停發(fā)生后，必須復(fù)位才能重新啟動(dòng)皮帶機(jī)。

3 皮帶綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證皮帶在高速和重載的環(huán)境下安全穩(wěn)定運(yùn)行，一套高效的皮帶綜合保護(hù)裝置是必不可少的。根據(jù)隧道掘進(jìn)出碴的現(xiàn)場(chǎng)情況，隧道用皮帶綜合保護(hù)傳感器應(yīng)包括拉繩(急停)、跑偏、堵料、撕裂、失速[10]。

圖3 停車流程圖Fig.3 Flowchart of stopping

煤礦用皮帶機(jī)拉繩傳感器一般40 m /個(gè)，隧道用皮帶機(jī)拉繩安裝間距目前沒(méi)有明文規(guī)定，習(xí)慣間隔100 m /個(gè)來(lái)布置，但必須在2個(gè)拉繩傳感器之間增加托架，以免拉繩垂度太大。跑偏傳感器成對(duì)安裝，一般安裝在機(jī)頭、機(jī)尾、轉(zhuǎn)彎處；堵料傳感器安裝在落料點(diǎn)附近，但不能被落料砸到，避免引發(fā)誤動(dòng)作；撕裂傳感器一般懸掛在機(jī)頭和機(jī)尾附近上下帶的中間位置。失速傳感器通過(guò)檢測(cè)皮帶實(shí)際運(yùn)行的線速度，來(lái)判斷是否存在打滑現(xiàn)象，以避免打滑帶來(lái)的堵料現(xiàn)象，一般安裝在下帶的上方運(yùn)行比較平穩(wěn)的地方。皮帶綜合保護(hù)布置示意圖如圖4所示。

為方便編程，該皮帶綜合保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)置西門子遠(yuǎn)程IO模塊。拉繩傳感器接入綜合保護(hù)主機(jī)，其他傳感器直接接入遠(yuǎn)程IO模塊。PLC可以通過(guò)遠(yuǎn)程IO直接讀取各個(gè)傳感器的狀態(tài)(包括拉繩和跑偏的位置)。

4 多電機(jī)功率平衡

多電機(jī)功率平衡是連續(xù)皮帶機(jī)自動(dòng)控制的核心技術(shù)之一，它決定著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。連續(xù)皮帶機(jī)有2臺(tái)同型號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(非同軸)，如何保證2臺(tái)電機(jī)出力相同是至關(guān)重要的。一方面2臺(tái)電機(jī)如果長(zhǎng)時(shí)間出力不同(電流不同)，必然導(dǎo)致其中一臺(tái)電機(jī)因過(guò)載而發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞電機(jī)，另一臺(tái)電機(jī)卻輕載運(yùn)行；另一方面2臺(tái)電機(jī)距離很近，如果出力相差太大可能會(huì)導(dǎo)致2臺(tái)電機(jī)之間的皮帶因受力過(guò)大而撕裂。

圖4 皮帶綜合保護(hù)布置圖Fig.4 Layout of comprehensive protection of belt

采用主從轉(zhuǎn)矩跟隨可以很好地解決這一問(wèn)題。在相同轉(zhuǎn)速下，電機(jī)出力相同就是瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩相同，但最終要反映在電流上。其中1臺(tái)電機(jī)作為主電機(jī)，工作在速度環(huán)模式(恒轉(zhuǎn)矩模式)下，其他電機(jī)都是從電機(jī)，工作在轉(zhuǎn)矩控制模式下，把主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出作為從電機(jī)的控制轉(zhuǎn)矩。當(dāng)從電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于主電機(jī)時(shí)，從電機(jī)就會(huì)降低轉(zhuǎn)速，從電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩下降，主電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻隨之上升。反之亦然，在從電機(jī)不斷變速的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了主從電機(jī)的功率動(dòng)態(tài)平衡。速度的調(diào)節(jié)范圍叫做正負(fù)靜帶[11]。

這里以施耐德ATV71系列變頻器為例進(jìn)行說(shuō)明。3臺(tái)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)是380 V、200 kW三相異步電機(jī)，由于皮帶機(jī)帶重載啟動(dòng)的概率比較大(比如緊急停止后)，選擇了大一級(jí)的變頻器ATV71HC25N4，該變頻器額定功率是250 kW。ATV71變頻器轉(zhuǎn)矩控制示意圖如圖5所示。

AB與CD為“回退”速度調(diào)節(jié)；BC為轉(zhuǎn)矩控制區(qū)；E為理想工作點(diǎn)。
圖5 轉(zhuǎn)矩控制圖
Fig.5 Control chart of torque

在轉(zhuǎn)矩控制模式下，速度可能會(huì)在可設(shè)置的“死區(qū)”內(nèi)變化。例如，主從電機(jī)速度給定為30 Hz，正負(fù)靜帶值為3 Hz，那么從電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)在27～33 Hz變化(BC段)。

當(dāng)速度達(dá)到下限或上限時(shí)，變頻器自動(dòng)轉(zhuǎn)到速度調(diào)節(jié)模式(回退) 并保持此極限速度，故所調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩不再保持，可能會(huì)發(fā)生如下2種情況。

1)如果轉(zhuǎn)矩恢復(fù)為所要求的值，變頻器會(huì)返回轉(zhuǎn)矩控制模式。

2)如果轉(zhuǎn)矩在可設(shè)置的時(shí)間周期結(jié)束時(shí)沒(méi)有恢復(fù)為所要求的值，變頻器就會(huì)切換到故障模式或報(bào)警模式。

需要說(shuō)明的是，從電機(jī)的“電機(jī)控制類型”必須設(shè)為SVC I，才可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。此外，正負(fù)靜帶值也是在從變頻器上進(jìn)行設(shè)置的。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，主從電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟隨控制效果良好，主從電機(jī)的瞬時(shí)電流最大誤差在5 A以內(nèi)。主從電機(jī)電流對(duì)比如圖6所示。

圖6 主從電機(jī)電流對(duì)比圖Fig.6 Current contrast between master motor and slave motor

由圖6可以看出，主電機(jī)的電流始終略大于從電機(jī)，這是因?yàn)橹鲝膬呻姍C(jī)的布置位置不同導(dǎo)致的。在這種情況下，即使從電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速(是設(shè)定轉(zhuǎn)速+正靜帶的值，不是50 Hz)運(yùn)行時(shí)，也不能使自己的轉(zhuǎn)矩大于主電機(jī)，從而進(jìn)入速度控制模式，之后的轉(zhuǎn)矩才大于主電機(jī)，速度開(kāi)始降低?？梢酝ㄟ^(guò)減小負(fù)靜帶值和增大正靜帶值的方法加以改善，或者給主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩乘以一個(gè)系數(shù)后再賦予從電機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目中，由于主從電機(jī)電流誤差較小，因而沒(méi)有進(jìn)行以上調(diào)整。

5 連續(xù)皮帶自動(dòng)張緊設(shè)計(jì)

5.1 自動(dòng)張緊基本原理

連續(xù)皮帶機(jī)的自動(dòng)張緊系統(tǒng)是整個(gè)皮帶機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。連續(xù)皮帶機(jī)隨著TBM的不斷掘進(jìn)而不斷延伸，就是依靠一套自動(dòng)張緊裝置。自動(dòng)張緊裝置一般有2種類型：重錘自動(dòng)張緊和變頻自動(dòng)張緊。重錘張緊效果不如變頻張緊，近年來(lái)許多項(xiàng)目都是使用的變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)，如引黃、引松、蘭州水源地等項(xiàng)目。變頻器張緊絞車示意如圖7所示。

圖7 變頻器張緊絞車系統(tǒng)Fig.7 Tensioning system base on frequency converter

5.2 控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)比較復(fù)雜，一般包括張緊絞車、制動(dòng)抱閘、鋼絲繩滾筒、變頻器、控制器、人機(jī)界面等。由于電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在低速大轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下，最好選擇功率大1級(jí)(或2級(jí))的變頻器，以利于耐受大的沖擊電流。設(shè)計(jì)中張緊絞車電機(jī)為45 kW，選擇了75 kW的變頻器。一般變頻自動(dòng)張緊有2種類型：電機(jī)持續(xù)工作和間歇工作模式。

持續(xù)工作模式是指電機(jī)一直輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)平衡皮帶的張力，達(dá)到一種動(dòng)平衡狀態(tài)。該模式下電機(jī)需要加裝編碼器，以便電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩工作。該模式動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度好，控制精度高，但不節(jié)能。在間歇工作模式下，電機(jī)只有在設(shè)定值和實(shí)際值有較大偏差時(shí)才動(dòng)作。沒(méi)有偏差時(shí)，電機(jī)不動(dòng)作，抱閘抱緊電機(jī)軸，絞車處于靜止?fàn)顟B(tài)。相比較而言，張緊電機(jī)間歇工作模式更易于控制、穩(wěn)定可靠、比較節(jié)能，但控制精度相對(duì)不高。蒙華鐵路白城隧道連續(xù)皮帶機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)，就是采用這種電機(jī)間歇工作的模式。

根據(jù)皮帶張力與長(zhǎng)度的關(guān)系，在觸摸屏上設(shè)定張力值。當(dāng)前張力值在設(shè)定范圍時(shí)，抱閘電機(jī)不動(dòng)作，抱閘抱緊絞車滾筒；當(dāng)張力值超出設(shè)定范圍時(shí)，抱閘打開(kāi)，張緊電機(jī)進(jìn)行緊帶(松帶)動(dòng)作，當(dāng)前張力進(jìn)入設(shè)定值范圍后，電機(jī)停止，抱閘閉合。在緊帶(松帶)過(guò)程中一直存在很大張力，防止出現(xiàn)啟停過(guò)程的溜車現(xiàn)象是十分重要的。

施耐德ATV71變頻器可以在閉環(huán)模式下實(shí)現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩，這個(gè)特性可以大大減少溜車現(xiàn)象。此外，皮帶的緊帶(松帶)過(guò)程非常類似于起重機(jī)的提升(下降)過(guò)程。結(jié)合變頻器提升模式下對(duì)抱閘的控制，可以做到完全不溜車。變頻器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 變頻器參數(shù)表Table 1 Parameters of frequency converter

緊帶時(shí)，變頻器首先給電機(jī)輸出勵(lì)磁電流預(yù)勵(lì)磁，電機(jī)建立磁通后輸出轉(zhuǎn)矩電流。當(dāng)轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到抱閘釋放電流設(shè)定值Ibr時(shí)，繼電器R2輸出打開(kāi)抱閘，同時(shí)轉(zhuǎn)矩電流保持brt時(shí)間，待抱閘完全打開(kāi)后開(kāi)始加速運(yùn)行。此過(guò)程的目的是使電機(jī)快速獲得緊帶方向的大轉(zhuǎn)矩， 以防止電機(jī)在皮帶張力的作用下溜車。停車時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩電流下降至Ibr保持不變，并延時(shí)tbE(一般設(shè)為0，即電流下降到Ibr立即發(fā)出抱閘指令，不管頻率是否為0)后，R2斷開(kāi)閉合抱閘，經(jīng)后延時(shí)bEt等待抱閘完全閉合后，轉(zhuǎn)矩電流下降至0，從而實(shí)現(xiàn)可靠停車[12]。

松帶時(shí)，變頻器最好工作在閉環(huán)模式下，通過(guò)零速滿轉(zhuǎn)矩特性來(lái)保證不溜車。這是因?yàn)樽冾l器在開(kāi)環(huán)模式下，低頻段(3 Hz以下)不能保證輸出滿轉(zhuǎn)矩。當(dāng)皮帶張力很大時(shí)，松帶瞬間會(huì)有一個(gè)短時(shí)(2 s左右)的溜車現(xiàn)象，故在設(shè)計(jì)變頻器自動(dòng)張緊系統(tǒng)時(shí)，最好給電機(jī)加裝編碼器，讓變頻器工作在閉環(huán)控制模式。

此外，松帶時(shí)在皮帶張力的牽引下電機(jī)將會(huì)處于發(fā)電狀態(tài)(特別是在最后掘進(jìn)期間)，故變頻器需要配備制動(dòng)電阻或能量回饋單元，一方面可以把母線上過(guò)高的能量消耗，另一方面也可以起到一定的制動(dòng)作用?？紤]自動(dòng)張緊變頻器是間歇?jiǎng)幼?，且低速運(yùn)行，僅配備制動(dòng)電阻箱即可。制動(dòng)電阻最好使用功率和阻值與變頻器相匹配的起重電阻器。制動(dòng)邏輯時(shí)序圖如圖8所示。

圖8 制動(dòng)邏輯時(shí)序圖Fig.8 Logic sequence diagram of brake

5.3 PID參數(shù)整定

在保證了啟動(dòng)和停止不溜車后，就要考慮程序的設(shè)計(jì)。連續(xù)皮帶機(jī)自動(dòng)張緊是一個(gè)典型的PID系統(tǒng)，控制效果就看PID參數(shù)的整定。打開(kāi)西門子集成編程軟件Portal，在右側(cè)可以看到“工藝”選項(xiàng)卡。里面有“PID控制”模塊，我們使用“PID基本函數(shù)”里面的“CONT_C”函數(shù)，連續(xù)性PID控制器。特別說(shuō)明的是，函數(shù)“CONT_C”必須放在中斷函數(shù)OB35里面才能執(zhí)行。由于連續(xù)皮帶機(jī)的張力調(diào)節(jié)屬于緩慢調(diào)節(jié)，允許存在穩(wěn)態(tài)誤差，且張力變化緩慢，故僅使用比例環(huán)節(jié)就能滿足控制需要。

需要注意的是，PID的輸入應(yīng)是張力設(shè)定值與過(guò)程值的差，輸出值是電機(jī)的頻率。過(guò)程值大于設(shè)定值，輸出負(fù)頻率，電機(jī)反轉(zhuǎn)；過(guò)程值小于設(shè)定值，輸出正頻率，電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與誤差成正比。為了使系統(tǒng)既有良好的響應(yīng)速度，又能保持穩(wěn)定，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備情況整定出合理的比例系數(shù)。

在PID參數(shù)整定時(shí)，首先要估算出輸出變量(頻率)的大致范圍，如本設(shè)計(jì)中的絞車電機(jī)的速度大致在0～25 Hz，經(jīng)測(cè)算電機(jī)運(yùn)行在0～5 Hz的概率比較大。在確定比例系數(shù)時(shí)，需要充分考慮該特性，先用較小的比例系數(shù)，看響應(yīng)是否及時(shí)。如果不能及時(shí)響應(yīng)張力的變化，再逐步加大比例系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)整套張緊系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)快速。

此外，由于拉力傳感器長(zhǎng)期處于交變應(yīng)力的作用，加大了故障的概率，故要有傳感器失效的判斷和應(yīng)急措施。一般可以通過(guò)使用2個(gè)傳感器來(lái)冗余，以減小設(shè)備停機(jī)的概率。傳感器失效后，也可以通過(guò)變頻器零速滿轉(zhuǎn)矩來(lái)判斷當(dāng)前張力值，與張力設(shè)定值進(jìn)行粗略比較，進(jìn)行松帶(緊帶)動(dòng)作，然后報(bào)警給上位機(jī)，等待維修。

6 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面選用西門子精智面板TP1200觸摸屏，編程軟件為Portal V13，在Portal軟件的使用過(guò)程中主要參考了文獻(xiàn)[13]。

連續(xù)皮帶機(jī)的人機(jī)界面一般應(yīng)包括主畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置、當(dāng)前報(bào)警、歷史報(bào)警、皮帶綜保等畫(huà)面，這里僅以主畫(huà)面為例進(jìn)行說(shuō)明。主畫(huà)面是整個(gè)人機(jī)界面的核心，應(yīng)包括皮帶機(jī)布置示意圖、重要參數(shù)(電機(jī)電流、溫度等)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、啟停按鈕、手自動(dòng)切換按鈕等(如圖9所示)。

圖9最上部分顯示皮帶機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)未啟動(dòng)時(shí)顏色為深藍(lán)色、正在啟動(dòng)時(shí)顏色為黃色且閃爍、啟動(dòng)完成后顏色為綠色。中間部分棒圖顯示電機(jī)的電流、儀表盤顯示電機(jī)的繞組溫度，它們的背景顏色為紫色，表示不能操作。再往下是皮帶機(jī)控制按鈕(旋鈕)，它們的背景顏色為淺藍(lán)色，表示可以操作。最下面的按鈕是各個(gè)畫(huà)面的切換按鈕，這些按鈕放在了“模板”里面，可以保證每個(gè)畫(huà)面里面都能顯示，這些按鈕的背景顏色也是淺藍(lán)色。其他畫(huà)面設(shè)計(jì)方法類似，這里不再贅述。特別說(shuō)明的是，要顯示歷史報(bào)警信息，除了正確組態(tài)“報(bào)警記錄”外，一定要在觸摸屏上安裝SD卡或者U盤，否則無(wú)法記錄歷史報(bào)警信息。

圖9 主畫(huà)面Fig.9 Main frame

此外，為了安全專門設(shè)計(jì)了“鎖屏”按鈕，在鎖屏后，只能顯示皮帶機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，不能進(jìn)行任何操作，解鎖需要操作員密碼。進(jìn)入“參數(shù)設(shè)置”和“高級(jí)設(shè)置”頁(yè)面需要管理員密碼。

7 結(jié)論與建議

設(shè)計(jì)完成后，該控制系統(tǒng)已運(yùn)行在蒙華鐵路白城隧道連續(xù)皮帶機(jī)上。后經(jīng)過(guò)多次的改進(jìn)與完善，目前運(yùn)行穩(wěn)定，主要結(jié)論如下：

1)利用文中的方法可以很好地控制長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)的運(yùn)行，也包括固定皮帶機(jī)。

2)文中雖然介紹的是連續(xù)皮帶機(jī)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，但其中的多電機(jī)功率平衡原理可以應(yīng)用于其他方面，如TBM和盾構(gòu)刀盤的多電機(jī)功率平衡。

但在實(shí)際運(yùn)行中，也發(fā)現(xiàn)不少問(wèn)題，分析和建議如下。

在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，出現(xiàn)了因冷卻風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱而停機(jī)的故障，就是因?yàn)闆](méi)有監(jiān)視冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)控冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是非常重要的。如果不方便檢測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，至少也要能判斷風(fēng)機(jī)繼電器的閉合狀態(tài)。

目前，此電控方案僅應(yīng)用于皮帶機(jī)頭部集中驅(qū)動(dòng)的情況。如果應(yīng)用在頭尾或頭中尾驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合下，不一定很合適，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和技術(shù)要求進(jìn)行調(diào)整和完善。

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Design and Application of Control System for Continuous Belt Conveyor

ZHANG Lixun,SUN Wei

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

The maintenance and upgrade of control system for imported continuous belt conveyor are difficult；hence it is necessary to carry out independent research and development.In view of belt conveyor used in mucking of Baicheng Tunnel on Menghua Railway,the general design of control system,programmable logic controller (PLC) programming,comprehensive protection of belt and design of man-machine interface (HMI) configuration of continuous belt conveyor are introduced.A suit of control system program of continuous belt conveyor is completed,and by which the belt conveyor works stably.

continuous belt conveyor; control system; PLC; HMI; power balance; automatic tensioning

2017-01-16;

2017-03-29

張立勛(1979—)，男，河南確山人，2010年畢業(yè)于河南科技大學(xué)，機(jī)械電子工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事TBM及連續(xù)皮帶機(jī)電控系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計(jì)工作。E-mail：271226181@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.018

U 45

A

1672-741X(2017)06-0768-07