李 強(qiáng)

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦選煤廠，太原 030203）

0 引言

皮帶輸送機(jī)已經(jīng)有150多年的發(fā)展歷史，主要由輸送帶、滾筒、拉緊裝置等組成，用于長(zhǎng)距離的貨物運(yùn)輸[1]。選煤廠對(duì)煤炭進(jìn)行洗選工藝流程操作，皮帶輸送機(jī)作為其中的關(guān)鍵設(shè)備，一旦其控制系統(tǒng)故障或者失效，將影響整個(gè)選煤廠生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，甚至造成重大的安全事故[2-3]。目前大多選煤廠對(duì)皮帶輸送機(jī)采用繼電器為主的電控系統(tǒng)，這種方式具有線路復(fù)雜、可靠性低、控制精度差等缺點(diǎn)，逐漸不能滿足煤礦的生產(chǎn)規(guī)模與發(fā)展需求[4-5]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的選煤廠皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的高精度控制。

1 總體設(shè)計(jì)與建模

1.1 皮帶輸送機(jī)模型

皮帶輸送機(jī)以輸送帶作為牽引機(jī)構(gòu)和載體機(jī)構(gòu)，是一種將貨物進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備。皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由輸送帶、傳動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)滾筒、壓緊裝置、托輥等組成。輸送帶通過纏繞在驅(qū)動(dòng)滾筒、尾部滾筒和托輥上，形成輸送工作面，電機(jī)通過減速器來減速，從而有足夠大的扭矩帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過張緊裝置設(shè)定一定的初拉力使得輸送帶拉緊，主軸滾筒通過摩擦力驅(qū)動(dòng)輸送帶運(yùn)行，進(jìn)而使得皮帶輸送機(jī)完成運(yùn)輸物料的功能。其中驅(qū)動(dòng)滾筒安裝在卸料端以增大牽引力，有助于拖動(dòng)。

圖1 皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)控制原理與功能

本文采用基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)作為皮帶輸送機(jī)的電控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)。主站即處于調(diào)度室內(nèi)的上位機(jī)，負(fù)責(zé)接收從站的信號(hào)，顯示皮帶機(jī)的運(yùn)行參數(shù)以供工作人員查看并對(duì)其進(jìn)行故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)皮帶機(jī)運(yùn)行故障時(shí)，系統(tǒng)可以直接檢測(cè)到故障位置并通過主站直接停止輸送機(jī)的運(yùn)行。從站主要有PLC核心控制器、傳感器組和其他保護(hù)裝置負(fù)責(zé)采集皮帶機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行直接控制，并對(duì)異常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警保護(hù)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中從站控制器通過RS485總線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能：（1）動(dòng)態(tài)顯示功能?？刂葡到y(tǒng)的人機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)顯示皮帶機(jī)的速度、軸溫、是否跑偏和堆煤等運(yùn)行參數(shù)和故障信號(hào)；（2）連鎖功能。采用PLC控制器的優(yōu)點(diǎn)之一就是可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連鎖、閉鎖等控制功能；（3）軟啟動(dòng)功能。在重載工況下可實(shí)現(xiàn)低加速度平穩(wěn)啟動(dòng)，節(jié)約資源，提高生產(chǎn)效率，對(duì)設(shè)備有一定的保護(hù)作用；（4）故障保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)打滑、跑偏等故障時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的自動(dòng)停車，等待維修人員處理。

系統(tǒng)的控制原理如圖3所示，采用雙閉環(huán)控制的方式，通過檢測(cè)電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速與位置，利用PID控制器調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入頻率，保證電機(jī)的輸出質(zhì)量。

圖3 系統(tǒng)的控制原理圖

1.3 變頻器的調(diào)速原理

本系統(tǒng)采用目前應(yīng)用廣泛的交直交變頻器，其工作原理是通過整流結(jié)構(gòu)將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后再利用逆變結(jié)構(gòu)將直流電轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電。由電機(jī)的工作原理可知，轉(zhuǎn)速與電源的頻率和電壓成正比關(guān)系，所以通過改變電機(jī)電源的頻率可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，其利用的公式如式（1）。

式中：n為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；f為電機(jī)的電源頻率；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

交直交變頻器的頻率可調(diào)范圍較寬，所以在對(duì)電機(jī)調(diào)速時(shí)控制的精度與范圍都比較高，其啟動(dòng)加速度可以控制在0～0.05 m/s2，所以通過軟起動(dòng)的方式可以實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的“S”曲線啟動(dòng)，可有效降低電機(jī)部件在大功率啟動(dòng)時(shí)受到的沖擊，同時(shí)避免電機(jī)過載被燒毀，使得帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 變頻器的等效數(shù)學(xué)模型

圖4 所示為變頻器的等效數(shù)學(xué)模型。Vin為變頻器的輸入變量；K1為第一個(gè)放大器的比例系數(shù)；Vb為限幅器的限幅值；t0為積分時(shí)間常數(shù)，它就是系統(tǒng)所設(shè)定的電機(jī)加減速時(shí)間；K2為第二個(gè)放大器的比例系數(shù)，比例放大系數(shù)K=，P為系統(tǒng)設(shè)定的變頻器輸出頻率。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制器選型

控制系統(tǒng)中PLC的主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：（1）數(shù)據(jù)采集與控制。包括傳動(dòng)滾筒的溫度、運(yùn)行工況和速度等實(shí)現(xiàn)一定的自動(dòng)控制；（2）故障診斷。利用采集的數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，判斷是否產(chǎn)生故障；（3）人機(jī)對(duì)話。控制器將傳輸?shù)秸{(diào)度室上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)度室對(duì)工作面帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程啟停和其他監(jiān)控作用。

在綜合對(duì)比市面上的PLC控制器后，最終選用德國(guó)西門子公司生產(chǎn)S7-200 PLC系列的CPU224XP作為本控制系統(tǒng)的控制器。S7-200系列作為PLC可編程控制器的經(jīng)典控制器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，指令功能豐富，可以滿足帶式輸送機(jī)各項(xiàng)控制與計(jì)算要求[6-7]。S7-200系列的CPU224XP控制器程序編寫簡(jiǎn)單，易上手，工人可通過簡(jiǎn)單的梯形圖對(duì)其調(diào)試，并且工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

2.2 傳感器組

傳感器作為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵部件，系統(tǒng)通過檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和報(bào)警功能。根據(jù)本系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)所需設(shè)置的傳感器有速度傳感器、跑偏傳感器、溫度傳感器和縱撕傳感器。各個(gè)傳感器的型號(hào)如表1所示。

表1 系統(tǒng)傳感器型號(hào)

2.3 RS485通訊方式

RS485屬于半雙工通信，傳輸距離可達(dá)1 000 m，傳輸速度最高可達(dá)10 Mbps[8]。RS485抗干擾能力強(qiáng)，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高，組合使用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器，增強(qiáng)了共模性。設(shè)計(jì)的RS485串口接線如圖5所示，采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。

圖5 RS485串口接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后進(jìn)行自檢，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)可正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)開始啟動(dòng)，主程序流程圖如圖6所示。軟件部分由自檢模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障監(jiān)測(cè)模塊與自動(dòng)控制模塊等組成。系統(tǒng)首先對(duì)皮帶進(jìn)行張緊動(dòng)作，保證皮帶機(jī)在運(yùn)輸過程中，皮帶與滾筒之間存在足夠大的摩擦力，同時(shí)防止載荷沖擊對(duì)設(shè)備的損壞。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)收集模塊采集設(shè)備的信息，包括在上文中提到的速度、溫度等信號(hào)；通過自動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)用，控制器對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)啟停與調(diào)速等功能；系統(tǒng)通過通訊模塊，以RS485的通訊方式將控制器處理后的數(shù)據(jù)與信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，工作人員可通過觸摸屏直接監(jiān)測(cè)與控制皮帶輸送機(jī)。

圖6 主程序流程圖設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制器的皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用位置與速度的雙閉環(huán)控制，通過變頻器改變電機(jī)的輸入頻率來調(diào)節(jié)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度，并且可實(shí)現(xiàn)“S”曲線式的速度調(diào)節(jié)。變頻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)的軟起動(dòng)，減少了設(shè)備在運(yùn)行過程中受到的沖擊，系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)增大設(shè)備的運(yùn)載量，降低運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生額能耗。