基于PLC的皮帶運輸機控制系統(tǒng)設(shè)計

冀鵬沖

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

皮帶輸送機作為一種連續(xù)搬運物料的設(shè)備，具有運輸簡單、維護成本低、可運輸復(fù)雜線路等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于煤礦在日常生產(chǎn)過程中，是運輸煤炭的主要設(shè)備之一[1-2]。隨著國內(nèi)技術(shù)的深化改革，煤礦的生產(chǎn)技術(shù)日益發(fā)展，對帶式輸送機的運輸技術(shù)提出了更高的要求，并且隨著供給側(cè)改革的推進，煤炭企業(yè)對節(jié)能減排越來越重視，帶式輸送機作為煤炭運輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，其能耗效率是煤炭節(jié)能的重點之一[3-4]。目前，國內(nèi)大多數(shù)煤礦帶式輸送機采用恒速的運行方式，這樣不但增加了設(shè)備的磨損率，降低了設(shè)備的使用壽命，也造成了電能的浪費[5]。因此，本文針對傳統(tǒng)皮帶運輸機的節(jié)能運行進行了分析，設(shè)計了基于PLC 的控制系統(tǒng)。

1 皮帶運輸機運行狀態(tài)

皮帶運輸機利用電動機為驅(qū)動裝置，通過減速器降速增扭，帶動驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，利用輸送帶承載與運輸物料。整個皮帶運輸機系統(tǒng)包括驅(qū)動電機、皮帶、減速器、托輥、控制系統(tǒng)及綜合保護裝置等設(shè)備。

皮帶輸送機在設(shè)計初期時，根據(jù)煤礦的生產(chǎn)需求與運載量來確定整機的功率、速度等參數(shù)。在正常工作過程中，驅(qū)動電機處于工頻運行狀態(tài)，輸送帶保持恒定的運行速度，但是在實際過程中，由于開采條件的限制與地質(zhì)環(huán)境的影響，輸送帶工況條件不穩(wěn)定，負(fù)載波動較大，設(shè)備造成的功能損耗嚴(yán)重。

本文對皮帶輸送機在運行過程中的阻力進行分析，根據(jù)阻力產(chǎn)生的原因及作用效果將其分為3類：基本阻力、傾斜阻力與附加阻力?；咀枇υ谒凶枇χ姓急茸畲?，主要集中于皮帶輸送機的中部，其主要由托輥的運行阻力、壓陷阻力和物料的擠壓阻力等部分組成。由于皮帶輸送機受礦井環(huán)境影響，在裝載部位和卸料部位之間有一定的高度差，所以運輸線路與地面之間存在傾角，造成了設(shè)備的傾斜阻力。皮帶輸送機的附加阻力主要產(chǎn)生于各零部件之間的摩擦變形，如改向滾筒轉(zhuǎn)動時，材料發(fā)生變形產(chǎn)生的阻力、驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動時受到的摩擦阻力、煤料落到輸送帶上時沖擊產(chǎn)生的阻力等。

2 控制系統(tǒng)方案

本文設(shè)計的皮帶輸送機控制系統(tǒng)的總體方案如圖1 所示，系統(tǒng)主要由上位機、PLC 控制器、傳感器模塊、電參數(shù)信號采集模塊與變頻器等裝置組成。上位機負(fù)責(zé)實時監(jiān)測皮帶運輸機的工作狀態(tài)及各參數(shù)信號，方便工作人員的統(tǒng)一調(diào)度，主要由組態(tài)軟件與計算軟件等組成。PLC 為控制系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)接收各傳感器傳輸回來的模擬與數(shù)字信號，通過邏輯運算與數(shù)據(jù)分析，控制變頻輸出，從而實現(xiàn)皮帶輸送機的變頻控制，其還具有以太網(wǎng)通信模塊，實現(xiàn)與上位機的信息傳輸功能。電參數(shù)信號采集模塊負(fù)責(zé)測量皮帶輸送機在運行過程中的電流、電壓與功率等電參數(shù)信號，為變頻控制及故障診斷提供數(shù)據(jù)參考。傳感器模塊主要包括速度傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器與堆煤傳感器等，負(fù)責(zé)測量皮帶運輸機運行過程中的模擬量信號。變頻器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，通過PLC 控制變頻器的輸出頻率，進而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，達到節(jié)能調(diào)速的目的。

圖1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)的硬件包括處理器、變頻器、綜合保護裝置、電參數(shù)信號采集模塊與傳感器模塊組成，以下將對這幾部分進行選型設(shè)計。

3.1 處理器及變頻器選型

本系統(tǒng)的核心處理器選用可編程控制器，其具體功能主要有3點：信號采集、故障判斷及控制與人機交互功能。根據(jù)系統(tǒng)輸入與輸出點的分配需求，本文選用某公司生產(chǎn)的Q 系列PLC 控制器，該系列控制器的功能較全，擴展模塊的數(shù)量較多，可搭配遠程控制模塊使用，并且控制器還具有體積小、工作穩(wěn)定的優(yōu)點。控制器包含有CC-LINK模塊，可大幅降低工作人員編譯程序的時間，降低擴展開發(fā)的難度。

皮帶輸送機控制系統(tǒng)選用的SIMOVERT MV變頻器實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，變頻器的基本組成部分有整流器、逆變器和直流母線等組成。整流器是由2個三相二級管搭接而成，負(fù)責(zé)將輸入的交流電源整流為直流電源；直流母線由電容器與晶閘管組成，負(fù)責(zé)傳輸整流之后的直流電流；逆變器6 個IGBT模塊組成，負(fù)責(zé)將直流電源逆變?yōu)樗桀l率的交流電源。

3.2 傳感器模塊選型

傳感器模塊主要包括速度傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器與堆煤傳感器等，用于測量皮帶運輸機運行過程中的模擬量信號。

速度傳感器采用光電傳感器，主要由探頭和摩擦滾筒組成，通常安裝于皮帶的背面，依靠重力作用貼附與皮帶，具有測速精度高，抗干擾等優(yōu)點。速度傳感器主要用于檢測皮帶的運行速度，判斷是否發(fā)生打滑、超速等故障。跑偏傳感器采用CEJ4裝置，在輸送機的首尾各安裝一組，在較長線路每隔300 m一組，對皮帶的位置進行檢測，當(dāng)偏移中心線大于12°時，裝置自動報警。煙霧傳感器選用礦用氣敏型探頭，當(dāng)檢測到煙霧的區(qū)域濃度大于或等于0.15 mg/m3時，裝置將自動報警。溫度傳感器采用集合測溫裝置，可設(shè)定報警溫度及警示范圍，利用測溫探頭測量區(qū)域的溫度，當(dāng)超過或低于設(shè)定闕值時，裝置報警。堆煤傳感器采用機械式結(jié)構(gòu)，利用凸輪裝置檢測煤倉的煤位，當(dāng)煤料的傾角大于30°后，裝置自動報警，展開清掃動作。

4 控制系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)主程序流程提如圖2 所示，系統(tǒng)初始化后，分別執(zhí)行自檢子程序、串口通信子程序、信號采集子程序、故障診斷子程序。系統(tǒng)根據(jù)稱重傳感器上采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)，分別執(zhí)行3種不同的調(diào)速方式，以充分利用電能，達到節(jié)能效果。

圖2 控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于PLC 的皮帶輸送機控制系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速的控制方式，具有較好節(jié)能效果與控制精度。系統(tǒng)通過各信號采集模塊實時監(jiān)測皮帶機運行狀態(tài)，保障設(shè)備的安全性與可靠性，并根據(jù)皮帶上的煤料質(zhì)量，調(diào)節(jié)皮帶的運行模式，進一步提高能源利用率。