中小型煤礦皮帶機電控系統的改造

劉桂蘭

(婁底職業技術學院機電工程系，湖南 婁底 417000)

目前我國使用的大功率、智能化的皮帶機都以進口為主，但進口皮帶機的購買價格和運行代價高.近年來，交流變頻調速技術和PLC控制技術發展十分迅速，特別是變頻調速、節電效果明顯，價格不斷降低，結合PLC控制易于實現過程自動化.因而，充分利用現有的皮帶機資源并對其進行改造，主要增加電控系統功能，如變頻軟起、軟停、調速，結合PLC進行皮帶跑偏、堆料、落料的自動控制，能很好地節約成本，并能起到節能增效的作用.

1 原控制系統的介紹

我國的中小型煤礦皮帶機占用比例大，大部分還能正常運行.充分利用現有設備并根據具體應用要求進行改造是節約成本、靈活應用的最佳選擇.本改造系統主要以湖南婁底某一中小型煤礦的皮帶機系統為載體進行技術改造.該煤礦皮帶機系統是由3節皮帶運送帶組成.每一節皮帶由一臺電機帶動，通過液力偶合器偶合減速來驅動主副滾筒，然后通過滾筒與皮帶間的摩擦力來帶動皮帶運行.采用了電機的過載保護功能來進行堆料處理.對于皮帶跑偏和落料問題是人工進行處理.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械沖擊大，皮帶和液力偶合器磨損嚴重，經常需要更換，有時影響到煤炭的生產.對于堆料情況由于熱繼電器的過載保護，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.整個皮帶機運行必須隨時配備工作人員，及時對小問題進行處理和對落料進行清理.

2 改造方案

2.1 控制系統原理圖

控制系統的原理圖［2－6］如圖1所示.

圖1 系統控制原理

整個電控系統由主控臺、變頻柜、PLC主機、檢測裝置及驅動裝置構成.主控臺采用技術先進、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，驅動滾筒、清掃器等驅動組件.同進采用3臺高性能矢量控制型變頻器控制3臺電動機，完成皮帶機運行過程中的堆料、落料、軟啟動、軟停止、調速等各種技術問題，適當配以狀態顯示.每一節皮帶下安裝一個壓力傳感器，當某一皮帶上的煤炭超過限定值時，相應的壓力開關閉合，給PLC提供信號，通過程序分析進行堆料處理，并顯示是哪一臺過載.在皮帶的左右裝上位置開關，一旦皮帶跑偏就會觸發位置開關閉合，同樣通過PLC分析，驅動滾筒的矯正裝置進行自動矯正.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，高度位置開關閉合，通過PLC驅動清掃器進行清理.

2.2 皮帶機電控系統主電路

皮帶機電控系統主電路有兩路獨立的10 kV電源進線，經過母線再分兩路進行變壓，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切換到工頻運行).然后再分別接上電動機進行控制.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 主要設備選型及輸入輸出口的分配表

根據系統的具體分析，歸納出所用的設備，本系統采用日本三菱系列PLC，型號為FX2N－48MR，變頻器選擇三菱的FR－A540系列產品［1］.

系統控制要求:能獨立啟動和停止系統;具有壓力過載及報警功能，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1 X003 SL2 壓力傳感器開關2 X004 SL3 壓力傳感器開關3 X005 PV1 皮帶左偏開關X006 PV2 皮帶右偏開關X007 LK 落料上限開關X010 GP1 M1工頻控制開關

X011 BP1 M1變頻控制開關X012 GP2 M2工頻控制開關X013 BP2 M2變頻控制開關X014 GP3 M3工頻控制開關X015 BP3 M3變頻控制開關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 滾筒前調裝置Y004 YV2 滾筒后調裝置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臺皮帶機拖動機M1、M2、M3分別由變頻器BP1、BP2、BP3軟啟動、軟停止、調速控制，并且有工頻變頻切換功能;PLC與變頻器組合控制，實現皮帶機的自動控制，有變頻器故障跳閘后自動切換到工頻運行功能和有手動切換變頻工頻運行等功能［9－11］.

圖3 硬件接線圖

2.5 軟件設計

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(如梯形圖中X000的邏輯狀態取決于SB1的開、閉狀態).梯形圖是從繼電器——接觸器控制系統的電氣原理演化而來，它沿用了常開觸點、常閉觸點、線圈、定時器及計數器等術語，增加了一些簡單計算機符號.適合軟件的經驗設計法和邏輯設計法.系統控制要求的實現，盡量用程序來完成.可大大簡化硬件設施的接線.

順序功能流程圖如圖4所示，設計思路為:按下啟動按鈕SB1(X000)，第3節皮帶電機M3(Y002)啟動，延時5 s后，第2臺皮帶電機 M2(Y001)啟動，延時5 s后第1臺皮帶電機 M1(Y000)啟動運轉，整個系統開始運行.直到按下停止按鈕SB2(X001)，為防止煤炭積累在皮帶機上造成過載，停止的過程中應先讓第1臺皮帶電機停止運行，延時5 s后，第2臺皮帶電機停止運行，延時5 s，第3臺皮帶電機停止，整個停止過程就完成了.在運行中，若1號帶過載，應把1號帶關閉.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，應同時停止所有電機.

圖4 順序功能圖

梯形圖的設計步驟為:當皮帶往左偏時，會使皮帶左偏位置開關(X005)閉合，通過PLC控制使滾筒矯正裝置前調.當皮帶往右偏時，會使皮帶右偏位置開關(X003)閉合，通過PLC控制使滾筒矯正裝置后調(Y004).當落料到達一定高度時，會使落料上限位置開關(X007)閉合，通過PLC控制驅動清掃器工作(Y013).變頻工作與工頻工作轉換開關3個.當打到X010、X012、X014時，3臺皮帶機在工頻狀態下工作，當打到X011、X013、X015時，3臺皮帶機在變頻狀態下工作，當變頻器故障跳閘時，自動切換到工頻狀態下工作，不至于停機影響生產，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 改造后皮帶機的聯機調試過程

調試經過了靜態調試和動態調試，在現場先空載調試后再進行滿載調試.將以上設計好的PLC程序輸入到FX2N－48MR主機后，連接好輸入輸出分配和主電路，按照以上的步驟進行調試，適當地設置變頻器的參數，調試過程全部通過，完全滿足煤礦皮帶機的控制要求.

3 改造后的情況

3.1 改造后的系統特點

采用變頻器控制后，實現了軟啟動、軟停止，可以根據煤料多少適當調速.若變頻器有故障時，可以切換到工頻運行，大大減少皮帶機的機械沖擊和對電網的干擾，皮帶的使用壽命大有提高，故障現象大大減少，能自動解決堆料、落料、皮帶跑偏等問題，真正達到了節能、靈活應用、減少人力資源和提高系統運行效率的目的.

3.2 改造后的經濟效益

①節約電能;

②節約維修費用;

③有效減少人力資源;

④降低了設備的維護量;

⑤大大減少了因皮帶機故障而造成的生產停工，提高了生產效益.

3.3 改造后的運行情況

①真正實現了皮帶機系統的軟啟動，可將皮帶機啟停時產生的沖擊減至最小;

②故障的減少、自動化的程度增高降低了設備的維護量;

③方便皮帶的檢修;

④節約能源，且傳遞效率提高5﹪～10﹪.

4 結語

對婁底這一試點煤礦的中小型煤礦皮帶機改造運行以來，運行情況很好，并為適應婁底當地煤窯經濟的發展作出了很大的貢獻，并準備大力在我國推廣.系統電控方面的改造雖然一次性投資較大，但改造后的設備大大降低了運行的故障率，提高了設備運行的穩定性和效率，減輕了工人的勞動強度，降低了日常維護成本，并可避免因誤操作而引起的事故.改造過程對學生教學實踐有一定的指導意義.

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