暢永順

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司， 山西 大同 037001）

引言

皮帶機(jī)是進(jìn)行物料運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，可進(jìn)行長(zhǎng)距離、大運(yùn)量運(yùn)輸，具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)皮帶機(jī)一般采用液壓自動(dòng)張緊裝置，通過使用一系列液壓設(shè)備配合，可以實(shí)現(xiàn)皮帶張力調(diào)節(jié)，但這種液壓裝置響應(yīng)速度慢，液壓設(shè)備故障率高，維修成本大。液壓設(shè)備故障后檢修時(shí)間長(zhǎng)，影響了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。為此，本文采用變頻調(diào)速系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的液壓張緊裝置，設(shè)計(jì)出基于PLC 控制器的變頻調(diào)速皮帶機(jī)自動(dòng)化張緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過張力傳感器的反饋數(shù)據(jù)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)皮帶的松緊調(diào)節(jié)，解決不同工況下皮帶機(jī)皮帶張緊程度的調(diào)整，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

以PLC 為核心控制器的皮帶機(jī)變頻調(diào)速?gòu)埦o系統(tǒng)整體方案，如圖1 所示。整套系統(tǒng)由遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、PLC 控制器、變頻器、張力傳感器、張緊機(jī)械部分和皮帶機(jī)等組成。

圖1 皮帶機(jī)變頻調(diào)速?gòu)埦o系統(tǒng)整體方案

遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、各類服務(wù)器和打印機(jī)等組成，主要完成皮帶機(jī)張力數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印、故障預(yù)警以及控制指令下發(fā)等功能。PLC 控制器是核心設(shè)備，主要完成對(duì)皮帶機(jī)張力數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理并上傳給上位機(jī)，同時(shí)根據(jù)皮帶張力情況，自動(dòng)調(diào)整皮帶機(jī)的張力大小，并發(fā)出控制指令控制變頻器。遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC 控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。張緊機(jī)械部分由張緊絞車、游動(dòng)小車、制動(dòng)器和張緊滾筒等組成。張力傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)游動(dòng)小車鋼絞繩的張力變化情況，并將其上傳給PLC 控制器。變頻器是系統(tǒng)的輸出執(zhí)行部分，PLC 控制器會(huì)通過RS485 通信輸出不同頻率的控制信號(hào)，變頻器根據(jù)不同頻率信號(hào)輸出相應(yīng)的電壓，控制張緊絞車電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。

2 硬件方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 PLC 控制系統(tǒng)

作為系統(tǒng)的核心設(shè)備，PLC 控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、輸出及控制信號(hào)的下發(fā)。數(shù)據(jù)采集、輸出信號(hào)包括張力傳感器張力信號(hào)、各類指示燈輸入輸出信號(hào)、變頻器頻率控制信號(hào)和聲光報(bào)警信號(hào)等，PLC 控制器選用德國(guó)西門子公司出品的S7-300 系列。整個(gè)控制系統(tǒng)由CPU 模塊、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量I/O 輸入輸出模塊、通信功能模塊和電源模塊等組成。其中，模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)接收張力傳感器的模擬信號(hào)，模擬量輸出模塊負(fù)責(zé)輸出變頻器頻率控制信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊負(fù)責(zé)采集各類啟停、通斷信號(hào)，開關(guān)量輸出模塊負(fù)責(zé)輸出繼電器通斷控制信號(hào)、制動(dòng)器制動(dòng)信號(hào)、變頻器正反轉(zhuǎn)信號(hào)等。CPU 模塊選用的型號(hào)為CPU-318-2DP。以太網(wǎng)通信模塊選用CP343 通信模塊，可通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模擬量輸入、輸出模塊選用的型號(hào)分別為SM331、SM332，開關(guān)量輸入、輸出模塊選用的型號(hào)分別為SM321、SM322[3-4]。

2.2 張力傳感器檢測(cè)模塊

本文將張力傳感器安裝于游動(dòng)小車的鋼絞繩上，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集鋼絞繩的張力變化情況。選用型號(hào)為PR6201 的張力傳感器，量程為0.5～300 t，溫度工作范圍為20～80 ℃，具有高精度、過載能力強(qiáng)、誤差小和易于安裝等優(yōu)勢(shì)。

張力傳感器在采集到張力數(shù)據(jù)后，經(jīng)過模擬量輸入模塊SM331 傳輸給PLC 控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。為防止礦井現(xiàn)場(chǎng)各類干擾信號(hào)影響張力數(shù)據(jù)的傳輸，避免數(shù)據(jù)失真，本文設(shè)計(jì)了信號(hào)隔離電路，通過提高共模抑制比來(lái)減小測(cè)量誤差。電路采用了T1100RN 電流環(huán)隔離模塊，可對(duì)4～20 mA 電流信號(hào)進(jìn)行隔離輸入輸出。張力信號(hào)隔離電路圖如圖2所示。

圖2 張力信號(hào)隔離電路圖

2.3 變頻調(diào)速模塊

變頻器屬于執(zhí)行設(shè)備，接收頻率信號(hào)，輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，控制張緊絞車電機(jī)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)皮帶的張緊與松弛。PLC 控制器發(fā)出控制指令，變頻器的輸入電源一般為50 Hz、380 V 的交流電，該交流電通過整流、變頻和逆變等過程，轉(zhuǎn)換為特定電壓值的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，系統(tǒng)采用ACS800-140-7 型號(hào)變頻器，額定容量為140 kVA，額定功率為90 kW，是一款可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的矢量控制變頻器，該型號(hào)變頻器由ABB 公司的變頻器改制而成，通過矢量控制方式控制變頻器工作。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

軟件程序是系統(tǒng)運(yùn)行的思想。張緊系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，首先需要通過對(duì)運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度、游動(dòng)小車的張力情況進(jìn)行檢測(cè)，PLC 控制器根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較判斷，然后輸出相應(yīng)的頻率控制信號(hào)，控制變頻器輸出相匹配的工作電壓，實(shí)現(xiàn)張緊絞車的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整。系統(tǒng)采用S7-300 系列專用的SIMATIC Manager 下位機(jī)編程軟件，該軟件功能強(qiáng)大，兼容性強(qiáng)，可適應(yīng)各類自動(dòng)化項(xiàng)目開發(fā)。

采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)張緊系統(tǒng)的軟件程序進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，以主程序?yàn)橹鳎ㄟ^統(tǒng)一調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)各部分功能。PLC 控制程序包括主程序、張力檢測(cè)子程序、變頻調(diào)速子程序、聲光報(bào)警子程序、以太網(wǎng)通信子程序和電機(jī)啟停子程序等。變頻調(diào)速?gòu)埦o裝置的主程序流程框圖如圖3 所示。

圖3 變頻調(diào)速?gòu)埦o系統(tǒng)主程序流程框圖

變頻調(diào)速子程序是系統(tǒng)的核心部分，這關(guān)系著皮帶機(jī)能否正常自動(dòng)張緊與松弛皮帶。首先根據(jù)皮帶額定運(yùn)量設(shè)定額定張力值，當(dāng)張力大于1.6 倍額定張力或者小于0.8 倍張力時(shí)，系統(tǒng)判定皮帶機(jī)故障。當(dāng)張力值位于1.0～1.2 倍額定值之間時(shí)，系統(tǒng)判定皮帶機(jī)運(yùn)行正常。皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將張力設(shè)定為1.2 倍額定值，防止皮帶打滑。皮帶機(jī)停止時(shí)，將張力設(shè)定為0.8～0.9 倍額定值，防止皮帶機(jī)靜止時(shí)張力過低而變形。變頻調(diào)速子程序流程框圖如圖4 所示。

圖4 變頻調(diào)速子程序流程框圖

4 實(shí)際應(yīng)用效果

經(jīng)過一年半時(shí)間的試運(yùn)行，該變頻調(diào)速?gòu)埦o系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果良好，皮帶機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)需求，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了皮帶張力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，啟動(dòng)、制動(dòng)以及調(diào)節(jié)時(shí)響應(yīng)速度快，皮帶機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)沖擊力小，提升了皮帶機(jī)的使用壽命。

2）利用變頻器替代傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，大大降低了設(shè)備故障率，每年平均減少4.5 萬(wàn)元的維護(hù)費(fèi)用支出，降低了維修成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3）皮帶機(jī)在啟動(dòng)、制動(dòng)、空載及運(yùn)輸過程中均無(wú)打滑現(xiàn)象，未發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)皮帶機(jī)張緊裝置采用液壓系統(tǒng)，存在設(shè)備故障率高、響應(yīng)速度慢、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的皮帶機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)張緊系統(tǒng)，可在皮帶啟動(dòng)、停止、運(yùn)輸過程中按照預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)張緊調(diào)整，響應(yīng)速度快，大幅提升了皮帶機(jī)的工作性能。此外，該張緊系統(tǒng)設(shè)備故障率低，易于維護(hù)，具有很高的經(jīng)濟(jì)性，可在本領(lǐng)域推廣使用。