PLC與變頻器在帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)的應(yīng)用

張鑫

西山煤電新產(chǎn)業(yè)公司機(jī)電修造園區(qū)分公司 山西 太原 030053

隨著礦井采掘生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦井帶式輸送機(jī)的運(yùn)載任務(wù)逐步加重，由于帶式輸送機(jī)的運(yùn)載距離遠(yuǎn)、運(yùn)載量大等原因，礦山帶式輸送機(jī)極易發(fā)生空載、停止及重載啟動(dòng)等安全事故。為了解決及降低此類事故的發(fā)生幾率，可編程的以PLC控制器為核心的帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)成為可時(shí)下最為熱門的研究方向。此前劉增環(huán)[1]為了解決皮帶機(jī)出現(xiàn)的問題，對基于PLC控制器及變頻器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有操作較為簡單，穩(wěn)定性好幾低耗等優(yōu)點(diǎn)，為礦山實(shí)現(xiàn)智能化開采，提升礦山經(jīng)濟(jì)效益做出了貢獻(xiàn)。杜功儒[2]為了實(shí)現(xiàn)礦山的智能化對皮帶機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過對系統(tǒng)軟件及硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)故障報(bào)警及緊急情況處理等功能，為皮帶輸送機(jī)的集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)作出參考。本文基于PLC控制器及變頻器對帶式輸送機(jī)的集控系統(tǒng)進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)，有效的降低了礦用帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障的幾率，提升了礦山安全。

1 帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于煤礦開采的量越來越大，許多礦山的運(yùn)輸設(shè)備不能滿足其運(yùn)輸?shù)男枨?，所以基于PLC編程控制器為控制系統(tǒng)核心的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文選擇S7-300PLC為帶式輸送機(jī)的集控裝置。利用PLC作為變頻機(jī)及工控機(jī)間的信息交接的媒介，PLC將變頻器的工作信息及工作參數(shù)等信息進(jìn)行匯總，傳輸至工控機(jī)，在經(jīng)由工控機(jī)將指令通過PLC傳遞至變頻器，以此來達(dá)到控制變頻器的電機(jī)供電頻率及電機(jī)的轉(zhuǎn)速等。

帶式輸送機(jī)的集控系統(tǒng)一般由PLC控制器、傳感裝置、變頻器、遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置及以太網(wǎng)等組成。PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，通過組態(tài)軟監(jiān)控、存儲、報(bào)警燈性能對帶式輸送機(jī)進(jìn)行集中控制，以此達(dá)到降低帶式輸送機(jī)發(fā)生故障的幾率?？刂茊卧g通過通訊接口進(jìn)行連接，以此達(dá)到通訊的及時(shí)性。上位機(jī)與PLC控制器通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，通訊CPU與變頻器的數(shù)據(jù)量與PLC的CPUDP接口進(jìn)行連接，PLC的數(shù)據(jù)采集和控制指令傳輸通過DP總線實(shí)現(xiàn)[3]。

皮帶輸送機(jī)采用S-7-300為控制處理器，由中央處理器、接口模塊、通信處理器、電源模塊及功能模塊等組成。其硬件的配置如圖1所示。系統(tǒng)的CPU選擇為CPU315-2DP，其具有較大的存儲及許多I/O接口。此外其同樣具有PROFIBUS-DP的主從接口及RS485接口。

圖1 硬件的配置示意圖

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

PLC的控制程序主要是用來實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的信息傳遞及故障檢測的。當(dāng)PLC的控制系統(tǒng)完成初始化后 ，系統(tǒng)收到啟動(dòng)的命令后首先進(jìn)行自我故障的檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在故障時(shí)，系統(tǒng)將會及時(shí)的進(jìn)行故障報(bào)警。也可以進(jìn)行有效的故障檢測程序編寫，當(dāng)發(fā)生故障后，系統(tǒng)按照編寫的程序進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)的排查系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。當(dāng)自我檢測未發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。變頻器調(diào)試時(shí)，將電動(dòng)機(jī)的額定電流、額定功率等參數(shù)進(jìn)行輸入，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速。變頻器利用設(shè)備本身自帶的RS485接口與PLC系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方向、運(yùn)行的速度等參數(shù)的調(diào)控。西門子STEP7的編程步驟可以分為：工程建立、設(shè)置輸入及輸出點(diǎn)、設(shè)置I/O通訊的地址表、書寫用戶程序、程序的寫入、程序的最終調(diào)試。

網(wǎng)絡(luò)通訊的組件的軟件選擇為西門子WinCC6.0來實(shí)現(xiàn)。EM277模塊的人機(jī)界面是實(shí)現(xiàn)人工監(jiān)控現(xiàn)場的途徑，CPU315-2PN/DP通過EM277實(shí)現(xiàn)主站和分站的統(tǒng)一，且組成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。EM277上的DP端口與主站的DPMI端口進(jìn)行交換。CPU315-2PN/DP上的PN端用于以太網(wǎng)交換機(jī)和上位以太網(wǎng)進(jìn)行信息的交換。PN端的以太網(wǎng)的IP地址設(shè)定為192.168.0.1，DP為現(xiàn)場的總線路端口，站址為1.5Mbit。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

人機(jī)界面的設(shè)置對于人員的操縱至關(guān)重要。上位機(jī)的監(jiān)控可以及時(shí)的反應(yīng)皮帶機(jī)的電機(jī)電壓值、機(jī)頭溫度、滾筒速度等參數(shù)。當(dāng)?shù)卿浫藱C(jī)界面后首先顯示的為輸送機(jī)的電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。其次顯示帶式輸送機(jī)故障情況，且當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生故障時(shí)能夠遠(yuǎn)程復(fù)位。最后人接界面能夠控制皮帶機(jī)的啟動(dòng)與停止，并能隨時(shí)切換帶式輸送機(jī)的工作模式。當(dāng)用戶進(jìn)入上位機(jī)的監(jiān)控界面時(shí)，點(diǎn)擊相應(yīng)的皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)就會顯示其運(yùn)行狀態(tài)，為皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)提供保證。

2 變頻器設(shè)置及變頻啟動(dòng)系統(tǒng)故障分析

變頻器的規(guī)模選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)礦山的實(shí)際需求進(jìn)行選定。確保選定的變頻器可以滿足電機(jī)的輸出功率的額定值。變頻器主回路可將頻率及電壓保持不變的三相交流電轉(zhuǎn)為直流電，也可以將直流電轉(zhuǎn)化為頻率及電壓可以變化的交流電。變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

MM420是一種常見的變頻器，變頻器配有現(xiàn)場的總線路接口。MM420變電器的主要控制電路包括了數(shù)字型號的處理器（對電壓、電流及溫度數(shù)據(jù)的采集工作）；輸出及輸入端口；通信的端口，通過上機(jī)位對一臺或多臺變頻器實(shí)行遠(yuǎn)程操作及監(jiān)控；操作面板是通信端口與操作臺完成連接的主要途徑，完成監(jiān)測信號的輸入輸出。

變頻啟動(dòng)裝置是控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行的主要系統(tǒng)，由于煤礦的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，由于長時(shí)間的運(yùn)行，易發(fā)生如下的故障。PLC的電氣控制箱常常出現(xiàn)接觸器接電發(fā)生熔斷，繼電器發(fā)生過載斷路的現(xiàn)象，變頻器的故障及PLC的故障。在發(fā)生此類故障時(shí)需要對其進(jìn)行及時(shí)的處理，本文對故障的現(xiàn)象及解決方法進(jìn)行研究，當(dāng)變頻器的發(fā)生缺相故障時(shí)，此時(shí)發(fā)生此故障的現(xiàn)象是線路電流過大，電機(jī)的發(fā)熱嚴(yán)重，電機(jī)在運(yùn)行的過程中由于故障的原因出現(xiàn)震動(dòng)，發(fā)生此類故障的原因是由于三相電路的繼電器及三相的熔斷器熔斷，變頻器產(chǎn)生了缺相的故障，解決此類現(xiàn)象的方法較為簡單為更換變頻器的熔斷器及斷路器。壓力穿感器在進(jìn)行工作時(shí)，由于長時(shí)間處于受壓的狀態(tài)下極易發(fā)生故障，故障的主要現(xiàn)象為傳感器數(shù)據(jù)失真，產(chǎn)生的原因?yàn)閴好綦娮栌捎陂L時(shí)間的工作發(fā)生損壞，此時(shí)要做的就是及時(shí)的更換。變頻器的諧波治理裝置的按鈕接觸點(diǎn)極易發(fā)生氧化絕緣故障，急停按鈕及轉(zhuǎn)化開關(guān)等也極易發(fā)生故障，其主要原因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的自身問題，所以盡量選用質(zhì)量好的元件。為了更加有效的維護(hù)系統(tǒng)的安全及設(shè)備的壽命，工作人員需要定期且及時(shí)的對其進(jìn)行維修檢測，定期的更換，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文為了有效的提升帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的問題，本文基于PLC控制器及變頻器對帶式輸送機(jī)的集控系統(tǒng)進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)，對硬件的配置、人機(jī)界面及變頻器的配置進(jìn)行設(shè)置。并給出了集控系統(tǒng)常見問題的解決方法，有效的降低了礦用帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障的幾率，保證礦山運(yùn)輸安全。