中小型煤礦皮帶機(jī)電控系統(tǒng)的改造

劉桂蘭

(婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 婁底 417000)

目前我國使用的大功率、智能化的皮帶機(jī)都以進(jìn)口為主，但進(jìn)口皮帶機(jī)的購買價格和運(yùn)行代價高.近年來，交流變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)發(fā)展十分迅速，特別是變頻調(diào)速、節(jié)電效果明顯，價格不斷降低，結(jié)合PLC控制易于實(shí)現(xiàn)過程自動化.因而，充分利用現(xiàn)有的皮帶機(jī)資源并對其進(jìn)行改造，主要增加電控系統(tǒng)功能，如變頻軟起、軟停、調(diào)速，結(jié)合PLC進(jìn)行皮帶跑偏、堆料、落料的自動控制，能很好地節(jié)約成本，并能起到節(jié)能增效的作用.

1 原控制系統(tǒng)的介紹

我國的中小型煤礦皮帶機(jī)占用比例大，大部分還能正常運(yùn)行.充分利用現(xiàn)有設(shè)備并根據(jù)具體應(yīng)用要求進(jìn)行改造是節(jié)約成本、靈活應(yīng)用的最佳選擇.本改造系統(tǒng)主要以湖南婁底某一中小型煤礦的皮帶機(jī)系統(tǒng)為載體進(jìn)行技術(shù)改造.該煤礦皮帶機(jī)系統(tǒng)是由3節(jié)皮帶運(yùn)送帶組成.每一節(jié)皮帶由一臺電機(jī)帶動，通過液力偶合器偶合減速來驅(qū)動主副滾筒，然后通過滾筒與皮帶間的摩擦力來帶動皮帶運(yùn)行.采用了電機(jī)的過載保護(hù)功能來進(jìn)行堆料處理.對于皮帶跑偏和落料問題是人工進(jìn)行處理.由于液力偶合器傳動的傳動效率低，工頻啟動時啟動電流沖擊大和機(jī)械沖擊大，皮帶和液力偶合器磨損嚴(yán)重，經(jīng)常需要更換，有時影響到煤炭的生產(chǎn).對于堆料情況由于熱繼電器的過載保護(hù)，其靈敏度不高，有時不能及時高效地解決堆料問題，一有堆料，很有可能造成停機(jī).整個皮帶機(jī)運(yùn)行必須隨時配備工作人員，及時對小問題進(jìn)行處理和對落料進(jìn)行清理.

2 改造方案

2.1 控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)的原理圖［2－6］如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)控制原理

整個電控系統(tǒng)由主控臺、變頻柜、PLC主機(jī)、檢測裝置及驅(qū)動裝置構(gòu)成.主控臺采用技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的可編程控制器，配以壓力傳感器、位置傳感器等檢測裝置，驅(qū)動滾筒、清掃器等驅(qū)動組件.同進(jìn)采用3臺高性能矢量控制型變頻器控制3臺電動機(jī)，完成皮帶機(jī)運(yùn)行過程中的堆料、落料、軟啟動、軟停止、調(diào)速等各種技術(shù)問題，適當(dāng)配以狀態(tài)顯示.每一節(jié)皮帶下安裝一個壓力傳感器，當(dāng)某一皮帶上的煤炭超過限定值時，相應(yīng)的壓力開關(guān)閉合，給PLC提供信號，通過程序分析進(jìn)行堆料處理，并顯示是哪一臺過載.在皮帶的左右裝上位置開關(guān)，一旦皮帶跑偏就會觸發(fā)位置開關(guān)閉合，同樣通過PLC分析，驅(qū)動滾筒的矯正裝置進(jìn)行自動矯正.在地面上安裝一定高度的煤位檢測裝置，只要落下的煤炭到這一高度，高度位置開關(guān)閉合，通過PLC驅(qū)動清掃器進(jìn)行清理.

2.2 皮帶機(jī)電控系統(tǒng)主電路

皮帶機(jī)電控系統(tǒng)主電路有兩路獨(dú)立的10 kV電源進(jìn)線，經(jīng)過母線再分兩路進(jìn)行變壓，1#變壓器為10 kV380 V型，給3臺變頻器供電，每臺變頻器有工頻/變頻切換功能(如變頻器1中，KM11、K12控制變頻工作，KM13切換到工頻運(yùn)行).然后再分別接上電動機(jī)進(jìn)行控制.2#變壓器為10 kV380 V型，通過低壓配電給PLC柜供電，或者工藝控制供電.具體接線如圖2所示.

圖2 主電路圖

2.3 主要設(shè)備選型及輸入輸出口的分配表

根據(jù)系統(tǒng)的具體分析，歸納出所用的設(shè)備，本系統(tǒng)采用日本三菱系列PLC，型號為FX2N－48MR，變頻器選擇三菱的FR－A540系列產(chǎn)品［1］.

系統(tǒng)控制要求:能獨(dú)立啟動和停止系統(tǒng);具有壓力過載及報(bào)警功能，工頻變頻切換功能，皮帶跑偏處理功能，異常時能自動跳閘到工頻功能及落料自動清理功能.

表1 IO口輸入分配

表1 IO口輸入分配

輸入X000 SB1啟動按鈕X001 SB2 停止按鈕X002 SL1 壓力傳感器開關(guān)1 X003 SL2 壓力傳感器開關(guān)2 X004 SL3 壓力傳感器開關(guān)3 X005 PV1 皮帶左偏開關(guān)X006 PV2 皮帶右偏開關(guān)X007 LK 落料上限開關(guān)X010 GP1 M1工頻控制開關(guān)

X011 BP1 M1變頻控制開關(guān)X012 GP2 M2工頻控制開關(guān)X013 BP2 M2變頻控制開關(guān)X014 GP3 M3工頻控制開關(guān)X015 BP3 M3變頻控制開關(guān)X016 BP1－A BP1跳閘控制X017 BP2－A BP2跳閘控制X020 BP3－A BP3跳閘控制

表2 IO口輸出分配

表2 IO口輸出分配

輸出Y000 KM11 M1變頻工作線圈Y001 KM21 M2變頻工作線圈Y002 KM31 M3變頻工作線圈Y003 YV1 滾筒前調(diào)裝置Y004 YV2 滾筒后調(diào)裝置Y005 KM13 M1工頻工作線圈Y006 KM23 M2工頻工作線圈Y007 KM33 M3工頻工作線圈Y010 L1 1#帶故障顯示燈Y011 L2 2#帶故障顯示燈Y012 L3 3#帶故障顯示燈Y013 YV3清掃器

2.4 PLC和變頻器組合控制的硬件接線圖

根據(jù)I/O口分配表確定硬件接線，其硬件接線如圖3所示［7－8］

3臺皮帶機(jī)拖動機(jī)M1、M2、M3分別由變頻器BP1、BP2、BP3軟啟動、軟停止、調(diào)速控制，并且有工頻變頻切換功能;PLC與變頻器組合控制，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的自動控制，有變頻器故障跳閘后自動切換到工頻運(yùn)行功能和有手動切換變頻工頻運(yùn)行等功能［9－11］.

圖3 硬件接線圖

2.5 軟件設(shè)計(jì)

PLC的軟件編程語言有梯形圖、指令表、順序功能流程圖和功能塊圖幾種.梯形圖是一種圖形語言，這種語言與硬件接線圖相對應(yīng)(如梯形圖中X000的邏輯狀態(tài)取決于SB1的開、閉狀態(tài)).梯形圖是從繼電器——接觸器控制系統(tǒng)的電氣原理演化而來，它沿用了常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、線圈、定時器及計(jì)數(shù)器等術(shù)語，增加了一些簡單計(jì)算機(jī)符號.適合軟件的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和邏輯設(shè)計(jì)法.系統(tǒng)控制要求的實(shí)現(xiàn)，盡量用程序來完成.可大大簡化硬件設(shè)施的接線.

順序功能流程圖如圖4所示，設(shè)計(jì)思路為:按下啟動按鈕SB1(X000)，第3節(jié)皮帶電機(jī)M3(Y002)啟動，延時5 s后，第2臺皮帶電機(jī) M2(Y001)啟動，延時5 s后第1臺皮帶電機(jī) M1(Y000)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)開始運(yùn)行.直到按下停止按鈕SB2(X001)，為防止煤炭積累在皮帶機(jī)上造成過載，停止的過程中應(yīng)先讓第1臺皮帶電機(jī)停止運(yùn)行，延時5 s后，第2臺皮帶電機(jī)停止運(yùn)行，延時5 s，第3臺皮帶電機(jī)停止，整個停止過程就完成了.在運(yùn)行中，若1號帶過載，應(yīng)把1號帶關(guān)閉.其他按正常順序停止.若2號帶過載，1號帶和2號帶同時停止，其他按順序停止.若3號帶過載，應(yīng)同時停止所有電機(jī).

圖4 順序功能圖

梯形圖的設(shè)計(jì)步驟為:當(dāng)皮帶往左偏時，會使皮帶左偏位置開關(guān)(X005)閉合，通過PLC控制使?jié)L筒矯正裝置前調(diào).當(dāng)皮帶往右偏時，會使皮帶右偏位置開關(guān)(X003)閉合，通過PLC控制使?jié)L筒矯正裝置后調(diào)(Y004).當(dāng)落料到達(dá)一定高度時，會使落料上限位置開關(guān)(X007)閉合，通過PLC控制驅(qū)動清掃器工作(Y013).變頻工作與工頻工作轉(zhuǎn)換開關(guān)3個.當(dāng)打到X010、X012、X014時，3臺皮帶機(jī)在工頻狀態(tài)下工作，當(dāng)打到X011、X013、X015時，3臺皮帶機(jī)在變頻狀態(tài)下工作，當(dāng)變頻器故障跳閘時，自動切換到工頻狀態(tài)下工作，不至于停機(jī)影響生產(chǎn)，同時用指示燈(Y010，Y011，Y012)顯示是哪一臺出了故障.

圖5 梯形圖

2.6 改造后皮帶機(jī)的聯(lián)機(jī)調(diào)試過程

調(diào)試經(jīng)過了靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試，在現(xiàn)場先空載調(diào)試后再進(jìn)行滿載調(diào)試.將以上設(shè)計(jì)好的PLC程序輸入到FX2N－48MR主機(jī)后，連接好輸入輸出分配和主電路，按照以上的步驟進(jìn)行調(diào)試，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置變頻器的參數(shù)，調(diào)試過程全部通過，完全滿足煤礦皮帶機(jī)的控制要求.

3 改造后的情況

3.1 改造后的系統(tǒng)特點(diǎn)

采用變頻器控制后，實(shí)現(xiàn)了軟啟動、軟停止，可以根據(jù)煤料多少適當(dāng)調(diào)速.若變頻器有故障時，可以切換到工頻運(yùn)行，大大減少皮帶機(jī)的機(jī)械沖擊和對電網(wǎng)的干擾，皮帶的使用壽命大有提高，故障現(xiàn)象大大減少，能自動解決堆料、落料、皮帶跑偏等問題，真正達(dá)到了節(jié)能、靈活應(yīng)用、減少人力資源和提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的.

3.2 改造后的經(jīng)濟(jì)效益

①節(jié)約電能;

②節(jié)約維修費(fèi)用;

③有效減少人力資源;

④降低了設(shè)備的維護(hù)量;

⑤大大減少了因皮帶機(jī)故障而造成的生產(chǎn)停工，提高了生產(chǎn)效益.

3.3 改造后的運(yùn)行情況

①真正實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)系統(tǒng)的軟啟動，可將皮帶機(jī)啟停時產(chǎn)生的沖擊減至最小;

②故障的減少、自動化的程度增高降低了設(shè)備的維護(hù)量;

③方便皮帶的檢修;

④節(jié)約能源，且傳遞效率提高5﹪～10﹪.

4 結(jié)語

對婁底這一試點(diǎn)煤礦的中小型煤礦皮帶機(jī)改造運(yùn)行以來，運(yùn)行情況很好，并為適應(yīng)婁底當(dāng)?shù)孛焊G經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)，并準(zhǔn)備大力在我國推廣.系統(tǒng)電控方面的改造雖然一次性投資較大，但改造后的設(shè)備大大降低了運(yùn)行的故障率，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，降低了日常維護(hù)成本，并可避免因誤操作而引起的事故.改造過程對學(xué)生教學(xué)實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義.

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