張 兵

(云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司)

云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司是集采礦、選礦于一體的大型礦山企業(yè)。采礦場(chǎng)與選礦廠隔一座山且道路地形復(fù)雜，若用汽車運(yùn)輸，需修建6 km公路，若用膠帶運(yùn)輸，則只需修建2 km隧道即可，因此，膠帶輸送機(jī)自動(dòng)化控制方案是解決礦物運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)較優(yōu)方案。但膠帶輸送機(jī)為柔黏性力學(xué)系統(tǒng)，輸送帶由彈性單元組成，在起動(dòng)加速、停車減速及張力變化過(guò)程中均呈現(xiàn)出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征，主要表現(xiàn)為橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及動(dòng)態(tài)張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統(tǒng)的不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為膠帶斷裂、機(jī)械損害、疊帶、撒料、局部諧振跳帶等。因此，對(duì)于膠帶運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)方式、停車方式、保護(hù)裝置的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)顯得很重要。

1 膠帶輸送機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由西門子G150變頻器、S7-300 PLC、S7-200 PLC、外部保護(hù)裝置等構(gòu)成。控制系統(tǒng)包含3層網(wǎng)絡(luò)，分別為設(shè)備層、控制層、信息層。設(shè)備層負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)控制儀表信息(拉繩、跑偏開(kāi)關(guān))，控制層負(fù)責(zé)頭尾部2臺(tái)控制柜傳遞控制指令及子系統(tǒng)信息，信息層負(fù)責(zé)與廠級(jí)DCS中控通訊。系統(tǒng)共設(shè)置2個(gè)PLC工作站，A站放置在驅(qū)動(dòng)間電氣室，采用西門子S7-300 PLC[1]進(jìn)行控制，B站放置在尾部轉(zhuǎn)運(yùn)站，采用S7-200 PLC進(jìn)行控制。A站作為廠級(jí)中控的從站，與DCS控制系統(tǒng)相連，采用DP通訊方式上傳各個(gè)工作站的工作狀態(tài)和故障信息，也可以接受全廠中控的命令。

1.2 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)硬件聯(lián)系圖見(jiàn)圖1。

1.2.1 變頻器

變頻器以PROFIBUS DP方式接入PLC系統(tǒng)，同時(shí)預(yù)留端子控制。SINAMICS G150具有模塊化設(shè)計(jì)，所有驅(qū)動(dòng)都具有相同的設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定、調(diào)試和操作方式，可以提供高性能的單軸和雙軸驅(qū)動(dòng)，允許不同功率等級(jí)與控制性能的自由組合。模塊化的SINAMICS G150驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與上位運(yùn)動(dòng)控制器聯(lián)合使用既可以實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，也可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制[2]。

長(zhǎng)距離兩點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)的啟?？刂坪凸β势胶鈪f(xié)調(diào)控制是輸送機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采用變頻電機(jī)，配合變頻器實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的軟啟動(dòng)及軟停車，以滿足不同工況條件下的變速要求。輸送機(jī)系統(tǒng)采用中部雙驅(qū)，2臺(tái)電機(jī)之間距離較短，可近似認(rèn)為硬耦合關(guān)系，因此，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用速度閉環(huán)控制以滿足皮帶機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的額定速度要求，從電機(jī)與主電機(jī)通過(guò)變頻器進(jìn)行主從通訊，從電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，以主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為從電機(jī)的給定，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制以取得理想的功率平衡效果。變頻器功率平衡方案見(jiàn)圖2。

圖1 系統(tǒng)硬件聯(lián)系圖

圖2 功率平衡方案

1.2.2 主控制站

主控制柜安裝的西門子S7-300 PLC包含6ES7 313-6CF03型CPU、6ES7 323-1BL00-0AA0型16入16出開(kāi)關(guān)量模塊、6ES7 331-1KF02型8模擬輸入、6ES7 332-5HD01-0AA0型4模擬量輸出、samkoon SA-12.1A觸摸屏，同時(shí)還配備有profibus dp主站，用于DCS遠(yuǎn)程控制的modbus光纖通訊接口。A站和B站所用PLC均為6ES7 214-2BD23-0XB8 CPU模塊、EM277擴(kuò)展模塊、samkoon SK-043AE觸摸屏。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)主要完成皮帶的啟動(dòng)、停止、故障保護(hù)以及運(yùn)行過(guò)程中的開(kāi)關(guān)量邏輯控制，并將輸送機(jī)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控系統(tǒng)。為減小主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，各就地工作站完成對(duì)就地設(shè)備的狀態(tài)采集和就地控制，變頻器的狀態(tài)可以通過(guò)DP通信獲得。A站和B站配置的觸摸屏通過(guò)SKWorkshop V5.0.0軟件進(jìn)行編程，可以就地顯示電機(jī)電流、電壓、功率及變頻器、制動(dòng)器等設(shè)備工作狀態(tài)。所有控制站的觸摸屏都可以顯示拉繩開(kāi)關(guān)和跑偏開(kāi)關(guān)的具體位置，當(dāng)拉繩、跑偏開(kāi)關(guān)動(dòng)作，發(fā)生打滑等故障時(shí)，就地觸摸屏?xí)棾鱿鄳?yīng)的信息對(duì)話框，同時(shí)DCS控制室內(nèi)上位機(jī)也會(huì)有醒目顯示，以提醒檢修人員對(duì)故障點(diǎn)快速定位，及時(shí)完成故障處理。

機(jī)頭2臺(tái)變頻器分別為1#、2#從站。機(jī)尾控制箱為3#profibus dp從站，有8字輸入、8字輸出，機(jī)尾的數(shù)據(jù)信號(hào)VB1516用于控制柜dp主機(jī)讀取，共2個(gè)字節(jié)，VB1500-VB1515用于存放來(lái)自機(jī)頭控制柜dp主機(jī)的信號(hào)，共8個(gè)字。機(jī)頭控制箱為4#profibus dp從站，有16字輸入、16字輸出，VB2000-VB2031用于接收主機(jī)的數(shù)據(jù)存放，共計(jì)16個(gè)字。本柜modbus通訊專用PLC為5#profibus dp從站，有32字輸入、32字輸出。主控制柜S7-300 PLC控制器的DP配置設(shè)置為內(nèi)部profibus dp主站，DB2.DBX0-DB2.DBW14單元內(nèi)容發(fā)送到機(jī)尾3#dp從站，共8個(gè)字節(jié)；DB3.DBX0-DB2.DBW30單元內(nèi)容發(fā)送到機(jī)頭4#profibus dp從站，共16個(gè)字節(jié)。

2 控制功能及操作

輸送機(jī)控制模式有就地手動(dòng)、就地自動(dòng)、觸摸屏自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程DCS控制。

長(zhǎng)距離皮帶輸送機(jī)開(kāi)車指令發(fā)出后，啟動(dòng)皮帶機(jī)沿線聲光報(bào)警器，10 s后啟動(dòng)變頻電機(jī)風(fēng)扇(防止電機(jī)受潮，吹干)，控制系統(tǒng)收到變頻電機(jī)風(fēng)扇運(yùn)行信號(hào)后，啟動(dòng)尾部液壓絞車自動(dòng)張緊裝置，收到張力正常信號(hào)3 s后，啟動(dòng)變頻器，利用變頻器零赫茲制動(dòng)功能將輸送機(jī)“抱死”，以防盤式制動(dòng)器松閘時(shí)，上運(yùn)長(zhǎng)距離輸送機(jī)倒行下滑。PLC控制系統(tǒng)接收到變頻器運(yùn)行信號(hào)后，啟動(dòng)盤式制動(dòng)器，盤式制動(dòng)器打開(kāi)后，變頻器按照PLC控制系統(tǒng)給定的優(yōu)化S型速度曲線[3]輸出頻率，帶式輸送機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。停車指令發(fā)出后，變頻器按照反S型曲線輸出頻率，當(dāng)輸出頻率為零時(shí)，利用盤式制動(dòng)器緊急制動(dòng)功能將帶式輸送機(jī)“抱死”，在收到盤式制動(dòng)器制動(dòng)信號(hào)后3 s，停止變頻器運(yùn)行，變頻器運(yùn)行信號(hào)丟失后3 s，停止尾部液壓自動(dòng)絞車張緊裝置，然后依次停止電機(jī)、風(fēng)機(jī)，停車結(jié)束。在拉繩、跑偏、防撕裂、皮帶打滑、電動(dòng)機(jī)繞組軸承溫度等保護(hù)功能動(dòng)作情況下，控制系統(tǒng)立刻發(fā)出停車指令，變頻器停止工作，變頻器采用自由停車方式，立刻封鎖脈沖，此時(shí)無(wú)電壓、頻率輸出，同時(shí)，帶式輸送機(jī)采用盤式制動(dòng)器柔性制動(dòng)功能將輸送機(jī)“抱死”(制動(dòng)時(shí)間可調(diào))。

當(dāng)控制裝置選擇DCS遠(yuǎn)程控制方式時(shí)，皮帶機(jī)的啟動(dòng)和停止及速度給定將接收來(lái)自DCS遠(yuǎn)程中控的指令，在中控工作方式下，可以觀察到皮帶機(jī)一、二跑偏報(bào)警，拉繩開(kāi)關(guān)操作報(bào)警，撕裂報(bào)警，變頻器報(bào)警，每臺(tái)電機(jī)的軸承和三相繞組的溫度數(shù)值以及變頻器的運(yùn)行電流、轉(zhuǎn)矩和頻率等。在遠(yuǎn)程中控工作狀態(tài)下，PLC控制部分只是將以上大部分報(bào)警信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程中控，由遠(yuǎn)程中控來(lái)決定是否馬上停機(jī)，當(dāng)發(fā)生拉繩開(kāi)關(guān)操作和控制柜及現(xiàn)場(chǎng)操作箱停止按鈕操作時(shí)，為了保護(hù)人身安全，皮帶機(jī)將立刻停機(jī)，并將停機(jī)操作原因發(fā)送到DCS遠(yuǎn)程中控,可讀取有關(guān)的皮帶機(jī)停機(jī)原因和信息。

3 其他相關(guān)技術(shù)

3.1 膠帶保護(hù)功能

撕裂、膠帶失速打滑、拉繩、跑偏、電機(jī)軸承繞組溫度以及各個(gè)子系統(tǒng)故障等信號(hào)都進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)，參與系統(tǒng)的連鎖控制，通過(guò)信號(hào)燈顯示于控制柜面板上，以備查詢，提醒操作人員進(jìn)行定點(diǎn)維護(hù)并解鎖。各參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和裝置、儀表精度在觸摸屏上進(jìn)行調(diào)整。

3.2 抗電磁干擾措施

由于皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)采用2臺(tái)大功率變頻器拖動(dòng)，對(duì)供電電網(wǎng)諧波污染，空間磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重，為了保證控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行，采取以下措施：

(1)采用在線型不間斷電源以及隔離變壓器消除線路耦合干擾。

(2)所有的輸入輸出開(kāi)關(guān)量通過(guò)中間繼電器隔離后輸入PLC模塊或輸出控制子設(shè)備，以防止空間電磁干擾及控制電纜破損與動(dòng)力電纜接觸高壓擊壞模塊。

(3)所有的模擬量經(jīng)無(wú)源隔離模塊隔離后進(jìn)入控制系統(tǒng)，確保參與控制的溫度信號(hào)穩(wěn)定。

(4)采用軟件技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行“消抖”，對(duì)模擬量進(jìn)行濾波。

4 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，膠帶輸送機(jī)自動(dòng)化控制方案相對(duì)于汽車運(yùn)輸，不僅環(huán)保、安全、高效，節(jié)省了大量人力資源與道路資源，同時(shí)具有輸送量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、部件標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。基于2臺(tái)西門子G150變頻器和S7-300 PLC、S7-200 PLC膠帶輸送機(jī)自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)是安全的、環(huán)保的、高效的。方案中友好的用戶操作界面能大大節(jié)約故障停機(jī)問(wèn)題的查找與處理時(shí)間，2臺(tái)西門子G150 變頻器主從驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，取得理想的功率平衡效果，能夠有效降低功耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，3層控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)節(jié)約了系統(tǒng)硬件材料成本，完善的設(shè)備保護(hù)裝置增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的安全性，同時(shí)也減少了系統(tǒng)維護(hù)過(guò)程中的人力成本。

[1] 陳章平.西門子S7-300/400 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2] 馮曉輝,郭 穎.西門子G150變頻器主從控制方式應(yīng)用一例[J].微處理機(jī)，2013，34(1)：86-88.

[3] 胡文浩.長(zhǎng)距離皮帶輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械工程師，2016(4):186-187.