基于變頻器和PLC的給煤機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用探討

李月蘭

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750001）

基于變頻器和PLC的給煤機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用探討

李月蘭

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750001）

本文針對(duì)給煤機(jī)手動(dòng)給煤的缺點(diǎn)，指出提高原煤配洗的精準(zhǔn)和自動(dòng)化程度，是當(dāng)前洗煤廠發(fā)展的迫切需求。介紹了往復(fù)式給煤機(jī)采用變頻器和PLC控制的自動(dòng)化方法，具體闡述了其原理、硬件設(shè)備、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用可行性。

給煤機(jī)；變頻器；PLC

1 引言

當(dāng)今機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化水平在不斷提高，洗煤廠的自動(dòng)化程度也隨之不斷改進(jìn)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，仍有某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在著自動(dòng)化水平低，可靠性不強(qiáng)，操作不方便的環(huán)節(jié)。某洗煤廠一個(gè)分區(qū)原有的老受煤坑在原煤受配煤系統(tǒng)改造之前，擔(dān)負(fù)著全年150萬(wàn)噸的入洗任務(wù)，共有10臺(tái)給煤機(jī)進(jìn)行配洗原煤。2007年原煤受配煤系統(tǒng)改造投運(yùn)之后，改為5臺(tái)給煤機(jī)進(jìn)行受配煤，主要配洗來(lái)自汝芨溝和卡布梁的末煤，另加大峰礦的分選末煤。5臺(tái)給煤機(jī)采用直接工頻啟動(dòng)方式，在受煤坑內(nèi)崗位司機(jī)采用手動(dòng)方式啟動(dòng)給煤機(jī)，給煤量的調(diào)節(jié)主要通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)倉(cāng)口擋板的開(kāi)距來(lái)實(shí)現(xiàn)，倉(cāng)口擋板的開(kāi)距大小主要靠調(diào)整焊接在倉(cāng)門(mén)和倉(cāng)壁的圓環(huán)鏈的節(jié)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這種人工調(diào)節(jié)給煤量的方式相較于自動(dòng)化程度較高的現(xiàn)代化洗煤廠，顯然配煤不夠精確，不利用于人員安全，不符合選煤廠的安全自動(dòng)化要求。提高原煤配洗的精準(zhǔn)和自動(dòng)化程度，是當(dāng)前該廠發(fā)展的迫切需求，也是實(shí)現(xiàn)該廠快速發(fā)展的要求。

2 K1型給煤機(jī)給煤量調(diào)節(jié)的工作原理

2.1 配洗原煤途徑

配洗原煤途徑如圖1所示，進(jìn)旋流器入洗的原煤來(lái)自原煤倉(cāng)和老受煤坑的煤。途徑通過(guò)兩條路線，一是通過(guò)新建原煤4個(gè)倉(cāng)由原煤倉(cāng)下給煤機(jī)給煤到倉(cāng)下260皮帶，再經(jīng)過(guò)301轉(zhuǎn)載皮帶、302皮帶入旋流器，煤種主要是塊煤。另一條有老受煤坑堆放的末煤入倉(cāng)由106#～110＃給煤機(jī)給煤到201#皮帶上，再上301＃皮帶與塊煤混摻入旋流器入洗。

圖1 配洗煤途徑原理

2.2 K1型給煤機(jī)使用現(xiàn)狀和存在問(wèn)題

使用現(xiàn)狀：老受煤坑共有5臺(tái)給煤機(jī)，電機(jī)功率都為3KW,控制方式采用的就地直接啟動(dòng)方式，且不參與主洗系統(tǒng)的集中控制。給煤機(jī)的起停主要由密控室司機(jī)用電話與受煤坑操作司機(jī)聯(lián)系并進(jìn)行選擇。即在開(kāi)機(jī)前，密控室司機(jī)將介質(zhì)懸浮液密度、介質(zhì)泵壓力、磁性物含量等參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)定好后，再通知受煤坑崗位司機(jī)進(jìn)行起停給煤機(jī)，調(diào)節(jié)倉(cāng)門(mén)實(shí)現(xiàn)給煤多少。

存在問(wèn)題：

（1）調(diào)節(jié)給煤機(jī)的給煤量，是通過(guò)人工調(diào)節(jié)圓環(huán)鏈節(jié)數(shù)來(lái)改變倉(cāng)門(mén)開(kāi)距大小控制給煤量的，給煤量的多少完全靠現(xiàn)場(chǎng)崗位司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法做到精確配洗原煤。而且，在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備旁進(jìn)行操作，很不安全。如圖2所示：

圖2 給煤量調(diào)節(jié)原理

（2）5臺(tái)給煤機(jī)與201＃運(yùn)輸皮帶無(wú)閉鎖關(guān)系，即201＃皮帶因故障停機(jī)，給煤機(jī)仍然給煤，使皮帶壓煤，造成重負(fù)荷起車(chē)。對(duì)設(shè)備的性能和壽命都存在嚴(yán)重的影響。

（3）受煤坑環(huán)境陰暗潮濕，對(duì)常年工作在崗位上操作人員的身體健康存在一定影響。

（4）夜間生產(chǎn)過(guò)程中，崗位司機(jī)站在運(yùn)轉(zhuǎn)的皮帶旁調(diào)節(jié)圓環(huán)鏈節(jié)數(shù)調(diào)節(jié)煤量時(shí)，存在著安全隱患。

（5）受煤質(zhì)變化的影響，受煤坑的各倉(cāng)經(jīng)常出現(xiàn)蓬倉(cāng)現(xiàn)象，造成倉(cāng)口下煤不暢，另外皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)人工捅倉(cāng)存在著嚴(yán)重的安全隱患。

（6）原有的106#～110#電控系統(tǒng)是2006年改造自配的，標(biāo)準(zhǔn)較低，可靠性、穩(wěn)定性差。

以上六點(diǎn)是以實(shí)際出發(fā)，不僅考慮到了選煤廠機(jī)電設(shè)備控制要求，而且更重要的是人員和設(shè)備的安全因素。改變?nèi)斯ふ{(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是該廠當(dāng)前發(fā)展的迫切要求。結(jié)合在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)，對(duì)老受煤坑的給煤機(jī)控制方式進(jìn)行改造。

3 給煤機(jī)的電氣控制改造方案

3.1 技術(shù)改造方案

根據(jù)目前給煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題和給煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用調(diào)查，建議給煤機(jī)采用變頻器和可編程控制器PLC控制的改造方案，具體控制過(guò)程見(jiàn)圖3：

圖3 自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)該分區(qū)的具體情況，原煤的入洗量主要由密控司機(jī)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況來(lái)調(diào)配，建議給煤量的調(diào)節(jié)由密控室司機(jī)來(lái)執(zhí)行，即集中控制，可以省去在倉(cāng)門(mén)口人工給煤的環(huán)節(jié)。具體控制過(guò)程是，實(shí)現(xiàn)5臺(tái)給煤機(jī)的給煤量調(diào)節(jié)可在密控室加裝變頻器增減速按鈕或電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，安裝頻率顯示儀表，以監(jiān)測(cè)5臺(tái)給煤機(jī)的給煤量。使用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)變頻器的起停及給煤機(jī)與201#皮帶的閉鎖。根據(jù)控制原理及工藝要求對(duì)PLC編程，實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)的集中控制。

3.2 設(shè)備選型及電氣控制原理

（1）變頻器選用西門(mén)子MM440型

根據(jù)實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)自動(dòng)給煤控制要求和功能需求，本方案中變頻器選用MICROMASTER 440型。變頻器MM440系列（MicroMaster440）是德國(guó)西門(mén)子公司廣泛應(yīng)用與工業(yè)場(chǎng)合的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過(guò)載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。其采用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性；脈沖寬度調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率是可選的，可降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲；具有2個(gè)模擬量輸入，即AIN1和AIN2。具有比例積分和微分（PID）控制功能的閉環(huán)控制；具有過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)、變頻器過(guò)熱保護(hù)、接地故障保護(hù)、短路保護(hù)、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)特性，且接線簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。

本設(shè)計(jì)中選擇變頻器為MM440,380V，4KW共5臺(tái)。變頻器加裝在低壓配電室配電柜內(nèi)，在密控室加裝給煤機(jī)變頻控制操作臺(tái)，使用變頻器6個(gè)帶隔離的數(shù)字輸入點(diǎn)，加裝按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)增加速，或加裝頻率表及電位計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)給煤量的調(diào)節(jié)。

給煤量的大小主要根據(jù)給煤機(jī)下運(yùn)輸皮帶安裝的電子秤測(cè)量的大小，皮帶給煤量主要在密控室控制電腦上顯示，通過(guò)對(duì)單臺(tái)或多臺(tái)給煤機(jī)的頻率調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)給煤機(jī)的曲柄快慢，以及調(diào)節(jié)給煤量的大小。

（2）PLC選用西門(mén)子S7-300型

選用可編程控制器PLC主要實(shí)現(xiàn)變頻器的起停及給煤機(jī)的集中控制。這樣將受煤坑所有的給煤機(jī)參與主洗集中控制系統(tǒng)，并與原煤輸送皮帶進(jìn)行程序閉鎖，集中聯(lián)鎖，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，減少受煤坑崗位司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

西門(mén)子S7-300plc具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)：可靠性強(qiáng)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，相比傳統(tǒng)繼電器技術(shù)更加適合于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境；反應(yīng)快，由于PLC中將傳統(tǒng)的機(jī)械觸電繼電器替換為內(nèi)部自定義的輔助繼電器，同時(shí)也取消了連接導(dǎo)線，而使用內(nèi)部邏輯關(guān)系代替，為此就可以忽略其節(jié)點(diǎn)變位時(shí)間，不必考慮傳統(tǒng)繼電器的返回系數(shù)；操作簡(jiǎn)單，此項(xiàng)控制技術(shù)通過(guò)使用簡(jiǎn)單的指令形式、直觀簡(jiǎn)單的程序?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的操作，避免了由于操作人員參差不齊的電氣技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題。

該型號(hào)PLC主要由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM/ RAM）、I/O單元、編程器、電源等部件組成。模塊化S7-300 PLC適用于快速的過(guò)程處理或?qū)?shù)據(jù)處理能力有特別要求的中小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)便的連接系統(tǒng)和無(wú)限的插入模塊組態(tài)，使系統(tǒng)組態(tài)處理更加方便；其快速的指令處理速度，可縮短系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間；同時(shí)高性能模塊和多種CPU為各種各樣的需求提供了合適的解決方案；模塊擴(kuò)展能力最多可增加3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架（ER），極高的安裝密度，背板總線安裝在每個(gè)模塊中，預(yù)先接線系統(tǒng)（TOP接線），減少了所需空間和費(fèi)用，同時(shí)為連接SIMATIC系列的各種部件提供了接口，它具有友好的WINDOWS STEP7 MINI編程軟件和功能強(qiáng)大的編程器。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察，該區(qū)2＃轉(zhuǎn)載點(diǎn)配電室安裝空間余量較大，可重新配置一臺(tái)變頻器控制柜。集中控制在此配電室有分站，利用原有的PLC控制柜內(nèi)的數(shù)字量、模擬量DI、DO、AI、AO模塊端口，或通過(guò)模塊擴(kuò)展方式增加5臺(tái)給煤機(jī)DI、DO模塊。根據(jù)變頻器二次控制原理，接好PLC柜內(nèi)與變頻控制柜內(nèi)的控制線。通過(guò)通訊總線方式在集控中心計(jì)算機(jī)上根據(jù)給煤機(jī)的控制原理及輸入、輸出量的選擇進(jìn)行硬件組態(tài)、編程、控制，實(shí)現(xiàn)5臺(tái)給煤機(jī)的PLC程序控制。

為了現(xiàn)場(chǎng)檢修試機(jī)方便，或集中控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響生產(chǎn)，可在老受煤坑現(xiàn)場(chǎng)加裝就地控制箱，實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)給煤機(jī)控制。鑒于5臺(tái)給煤機(jī)給煤量的多少與密控室的調(diào)節(jié)參數(shù)有關(guān)，可在密控室安裝一臺(tái)工控機(jī)，通過(guò)總線方式，與2＃轉(zhuǎn)載點(diǎn)配電室分站的PLC連接，在密控室實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)的集中控制。

實(shí)現(xiàn)5臺(tái)給煤機(jī)的控制，選用PLC硬件配置為：電源：PS307 5A;中央處理器：CPU315-2 DP(6ES7 315-2AG10-0AB0)；數(shù)字量輸入模塊：DI16XAC120/230V;輸出模塊：DO16XAC120/230V/2A；通訊模塊：MPI/DP；模擬量輸入模塊：AI8X12Bit。

（3）頻率測(cè)控儀

LU-904MF00I2V21智能測(cè)控儀是智能型、高精度的數(shù)顯液位、溫度、壓力測(cè)量控制儀表，與液位、壓力、溫度傳感器及變送器配接可構(gòu)成各種量程和規(guī)格的液位、溫度、壓力測(cè)控系統(tǒng)。LU-904M智能測(cè)控儀的輸入信號(hào)可任意改變，同時(shí)可配熱電偶、熱電阻、0～10mA、4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流或0～5V、1～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。具有四路報(bào)警輸出，每路報(bào)警輸出可任意定義為上限或下限報(bào)警；可帶0～10mA、4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流變送輸出及12VDC/50mA、5VDC/50mA、24VDC/ 50mA饋電輸出。

智能測(cè)控儀是給煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下顯示當(dāng)前給煤量或頻率或電流信號(hào)，可根據(jù)顯示數(shù)據(jù)，進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)頻率調(diào)整，來(lái)調(diào)整給煤量。智能測(cè)控儀，接線簡(jiǎn)單，只需接如AC220V電源，再將變頻器的模擬量輸出信號(hào)(AOUT1+,AOUT1-)接入其4～20mA的模擬量信號(hào)端子（10、11）即可。

4 應(yīng)用效果

（1）節(jié)電效果明顯。每臺(tái)給煤機(jī)為3KW,共5臺(tái)，15KW。按電費(fèi)價(jià)格0.5元/(kw.h)計(jì)算，則變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用可為洗煤廠降低電耗費(fèi)用。

年節(jié)電：15*12*30*12=64800度 年節(jié)約電費(fèi)=6.48*0.5= 3.24萬(wàn)元。

（2）給煤量通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)調(diào)節(jié)，無(wú)需人工對(duì)倉(cāng)口門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，5臺(tái)給煤機(jī)集中控制后，設(shè)備電氣閉鎖可靠，出現(xiàn)故障，聯(lián)鎖停車(chē)，對(duì)設(shè)備損壞小，職工維護(hù)工作量大大減少。

（3）調(diào)速范圍廣，變頻調(diào)速技術(shù)科使設(shè)備方便地在f=0～50HZ范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單，且系統(tǒng)功率因數(shù)高，額定工況下功率因數(shù)高達(dá)97%，壽命長(zhǎng)，故障率低，并可有效減小設(shè)備機(jī)械磨損。

（4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，即由密度司機(jī)根據(jù)運(yùn)輸皮帶秤的顯示量的大小，根據(jù)配煤比例，調(diào)節(jié)變頻器頻率，從而調(diào)節(jié)給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給煤量的大小，無(wú)需人工給煤倉(cāng)的倉(cāng)門(mén)大小，減輕操作人員的工作強(qiáng)度，提高的人員操作的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

以上自動(dòng)給煤控制系統(tǒng)的改造方案主要采用上位機(jī)組加PLC的結(jié)構(gòu)，其中S7-200PLC系統(tǒng)主要采用三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架（信息層，控制層，設(shè)備層）。信息層以集中控制室為核心，涵蓋監(jiān)控計(jì)算機(jī)、交換機(jī)，其與控制層之間由監(jiān)控室主站實(shí)現(xiàn)連接。設(shè)備層包括膠帶秤、給煤機(jī)變頻器等，其與控制層通過(guò)自動(dòng)配煤分站實(shí)現(xiàn)連接。這種結(jié)構(gòu)下，可以實(shí)現(xiàn)圖形監(jiān)控、圖形顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控與記錄，還帶有警報(bào)、診斷功能。能夠?qū)崿F(xiàn)選煤系統(tǒng)的自動(dòng)化，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還能夠保證選煤的質(zhì)量。

在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)除了s7―300PLC，還包含操作系統(tǒng)、Siemens MM440變頻器。s7―300PLC的主要作用在于控制運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度、啟動(dòng)順序，如果出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)診斷和報(bào)警，從而使得整個(gè)系統(tǒng)更為穩(wěn)定和安全。同時(shí)該廠根據(jù)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸距離短、負(fù)載量不大的特點(diǎn)，選用了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、相應(yīng)快的MM440變頻器。該變頻器采用微處理器控制，輸出器件為絕緣柵雙極晶體管，能夠?yàn)樽冾l器和電動(dòng)機(jī)提供較高質(zhì)量的保護(hù)。運(yùn)行時(shí)操作系統(tǒng)向s7―200PLC輸出控制指令，進(jìn)行邏輯控制，并向MM440發(fā)送指令，控制運(yùn)行。

西門(mén)子MM440和S7-300型PLC在該廠電氣控制應(yīng)用中

占據(jù)了重要位置。通過(guò)對(duì)我廠老受煤坑給煤機(jī)電氣改造方案作分析，認(rèn)為實(shí)施該方案后可解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

① 根據(jù)每個(gè)煤倉(cāng)的煤種情況自動(dòng)控制給煤機(jī)給煤量，提高了原煤配洗效率和質(zhì)量，提高該廠的整體效益。

② 給煤機(jī)采用變頻器＋PLC控制，自動(dòng)化程度提高，提高給煤機(jī)電控電氣故障率降低，維修量小。

③ 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制后，減少人員和設(shè)備不安全因素，減少的職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1]劉美俊，西門(mén)子S7-300/400應(yīng)用案例分析[M]，電子工業(yè)出版社，2009．

[2]鄧小盾，基于西門(mén)子變頻器MM440和PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)[J]．煤炭技術(shù)，2012，31(10)：131-133．

Coal Feeder Control System Based on Frequency Converter and PLC

Li Yuelan
(Ningxia Industry and Commerce Career Technical College,Yinchuan 750001,Ningxia)

tract】 Aiming the shortcomings of manual coal feeder,this paper proposes to improve the accuracy and automation of coal washing,which is an urgent need for the development of the coal washery.In this paper,the automatic technology of inverter and PLC control for reciprocating feeder is introduced,and its principle,hardware equipment,technical characteristics and application feasibility are expounded.

words】 coal feeder;frequency converter;PLC

TP273

A

1008-6609(2016)09-0050-04

李月蘭，女，寧夏人，研究生，講師，研究方向：電路與系統(tǒng)。