膠帶輸送機自動化控制方案設計與應用

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)。采礦場與選礦廠隔一座山且道路地形復雜，若用汽車運輸，需修建6 km公路，若用膠帶運輸，則只需修建2 km隧道即可，因此，膠帶輸送機自動化控制方案是解決礦物運輸?shù)囊粋€較優(yōu)方案。但膠帶輸送機為柔黏性力學系統(tǒng)，輸送帶由彈性單元組成，在起動加速、停車減速及張力變化過程中均呈現(xiàn)出復雜的運動力學特征，主要表現(xiàn)為橫向振動、縱向振動以及動態(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、機械損害、疊帶、撒料、局部諧振跳帶等。因此，對于膠帶運輸機的啟動方式、停車方式、保護裝置的自動化控制設計顯得很重要。

1 膠帶輸送機控制方案設計

1.1 控制系統(tǒng)總體結構

控制系統(tǒng)主要由西門子G150變頻器、S7-300 PLC、S7-200 PLC、外部保護裝置等構成?？刂葡到y(tǒng)包含3層網(wǎng)絡，分別為設備層、控制層、信息層。設備層負責采集現(xiàn)場控制儀表信息(拉繩、跑偏開關)，控制層負責頭尾部2臺控制柜傳遞控制指令及子系統(tǒng)信息，信息層負責與廠級DCS中控通訊。系統(tǒng)共設置2個PLC工作站，A站放置在驅(qū)動間電氣室，采用西門子S7-300 PLC[1]進行控制，B站放置在尾部轉運站，采用S7-200 PLC進行控制。A站作為廠級中控的從站，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)系圖見圖1。

1.2.1 變頻器

變頻器以PROFIBUS DP方式接入PLC系統(tǒng)，同時預留端子控制。SINAMICS G150具有模塊化設計，所有驅(qū)動都具有相同的設計、參數(shù)設定、調(diào)試和操作方式，可以提供高性能的單軸和雙軸驅(qū)動，允許不同功率等級與控制性能的自由組合。模塊化的SINAMICS G150驅(qū)動系統(tǒng)與上位運動控制器聯(lián)合使用既可以實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，也可以實現(xiàn)轉矩閉環(huán)控制[2]。

長距離兩點驅(qū)動輸送機的啟?？刂坪凸β势胶鈪f(xié)調(diào)控制是輸送機控制系統(tǒng)的關鍵所在，系統(tǒng)驅(qū)動采用變頻電機，配合變頻器實現(xiàn)輸送機的軟啟動及軟停車，以滿足不同工況條件下的變速要求。輸送機系統(tǒng)采用中部雙驅(qū)，2臺電機之間距離較短，可近似認為硬耦合關系，因此，主驅(qū)動電機采用速度閉環(huán)控制以滿足皮帶機設計時的額定速度要求，從電機與主電機通過變頻器進行主從通訊，從電機采用轉矩控制，以主電機的輸出轉矩作為從電機的給定，實現(xiàn)轉矩閉環(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出開關量模塊、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，同時還配備有profibus dp主站，用于DCS遠程控制的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擴展模塊、samkoon SK-043AE觸摸屏。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

PLC控制系統(tǒng)主要完成皮帶的啟動、停止、故障保護以及運行過程中的開關量邏輯控制，并將輸送機的整個運行狀態(tài)通過網(wǎng)絡傳送至監(jiān)控系統(tǒng)。為減小主干網(wǎng)的網(wǎng)絡負荷，各就地工作站完成對就地設備的狀態(tài)采集和就地控制，變頻器的狀態(tài)可以通過DP通信獲得。A站和B站配置的觸摸屏通過SKWorkshop V5.0.0軟件進行編程，可以就地顯示電機電流、電壓、功率及變頻器、制動器等設備工作狀態(tài)。所有控制站的觸摸屏都可以顯示拉繩開關和跑偏開關的具體位置，當拉繩、跑偏開關動作，發(fā)生打滑等故障時，就地觸摸屏會彈出相應的信息對話框，同時DCS控制室內(nèi)上位機也會有醒目顯示，以提醒檢修人員對故障點快速定位，及時完成故障處理。

機頭2臺變頻器分別為1#、2#從站。機尾控制箱為3#profibus dp從站，有8字輸入、8字輸出，機尾的數(shù)據(jù)信號VB1516用于控制柜dp主機讀取，共2個字節(jié)，VB1500-VB1515用于存放來自機頭控制柜dp主機的信號，共8個字。機頭控制箱為4#profibus dp從站，有16字輸入、16字輸出，VB2000-VB2031用于接收主機的數(shù)據(jù)存放，共計16個字。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配置設置為內(nèi)部profibus dp主站，DB2.DBX0-DB2.DBW14單元內(nèi)容發(fā)送到機尾3#dp從站，共8個字節(jié)；DB3.DBX0-DB2.DBW30單元內(nèi)容發(fā)送到機頭4#profibus dp從站，共16個字節(jié)。

2 控制功能及操作

輸送機控制模式有就地手動、就地自動、觸摸屏自動控制和遠程DCS控制。

長距離皮帶輸送機開車指令發(fā)出后，啟動皮帶機沿線聲光報警器，10 s后啟動變頻電機風扇(防止電機受潮，吹干)，控制系統(tǒng)收到變頻電機風扇運行信號后，啟動尾部液壓絞車自動張緊裝置，收到張力正常信號3 s后，啟動變頻器，利用變頻器零赫茲制動功能將輸送機“抱死”，以防盤式制動器松閘時，上運長距離輸送機倒行下滑。PLC控制系統(tǒng)接收到變頻器運行信號后，啟動盤式制動器，盤式制動器打開后，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，帶式輸送機平穩(wěn)啟動。停車指令發(fā)出后，變頻器按照反S型曲線輸出頻率，當輸出頻率為零時，利用盤式制動器緊急制動功能將帶式輸送機“抱死”，在收到盤式制動器制動信號后3 s，停止變頻器運行，變頻器運行信號丟失后3 s，停止尾部液壓自動絞車張緊裝置，然后依次停止電機、風機，停車結束。在拉繩、跑偏、防撕裂、皮帶打滑、電動機繞組軸承溫度等保護功能動作情況下，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，此時無電壓、頻率輸出，同時，帶式輸送機采用盤式制動器柔性制動功能將輸送機“抱死”(制動時間可調(diào))。

當控制裝置選擇DCS遠程控制方式時，皮帶機的啟動和停止及速度給定將接收來自DCS遠程中控的指令，在中控工作方式下，可以觀察到皮帶機一、二跑偏報警，拉繩開關操作報警，撕裂報警，變頻器報警，每臺電機的軸承和三相繞組的溫度數(shù)值以及變頻器的運行電流、轉矩和頻率等。在遠程中控工作狀態(tài)下，PLC控制部分只是將以上大部分報警信號發(fā)送到遠程中控，由遠程中控來決定是否馬上停機，當發(fā)生拉繩開關操作和控制柜及現(xiàn)場操作箱停止按鈕操作時，為了保護人身安全，皮帶機將立刻停機，并將停機操作原因發(fā)送到DCS遠程中控,可讀取有關的皮帶機停機原因和信息。

3 其他相關技術

3.1 膠帶保護功能

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

3.2 抗電磁干擾措施

由于皮帶機運輸系統(tǒng)采用2臺大功率變頻器拖動，對供電電網(wǎng)諧波污染，空間磁場干擾嚴重，為了保證控制系統(tǒng)可靠運行，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)所有的輸入輸出開關量通過中間繼電器隔離后輸入PLC模塊或輸出控制子設備，以防止空間電磁干擾及控制電纜破損與動力電纜接觸高壓擊壞模塊。

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

(4)采用軟件技術對開關量進行“消抖”，對模擬量進行濾波。

4 結 語

在實際應用過程中，膠帶輸送機自動化控制方案相對于汽車運輸，不僅環(huán)保、安全、高效，節(jié)省了大量人力資源與道路資源，同時具有輸送量大、結構簡單、維修方便、部件標準化等優(yōu)點?；?臺西門子G150變頻器和S7-300 PLC、S7-200 PLC膠帶輸送機自動化控制的設計是安全的、環(huán)保的、高效的。方案中友好的用戶操作界面能大大節(jié)約故障停機問題的查找與處理時間，2臺西門子G150 變頻器主從驅(qū)動方式實現(xiàn)轉矩閉環(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)絡的設計節(jié)約了系統(tǒng)硬件材料成本，完善的設備保護裝置增強了控制系統(tǒng)的安全性，同時也減少了系統(tǒng)維護過程中的人力成本。

[1] 陳章平.西門子S7-300/400 PLC控制系統(tǒng)設計與應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

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

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