膠帶輸送機自動化控制方案設計與應用

張 兵

(云南華聯鋅銦股份有限公司)

云南華聯鋅銦股份有限公司是集采礦、選礦于一體的大型礦山企業。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的一個較優方案。但膠帶輸送機為柔黏性力學系統，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出復雜的運動力學特征，主要表現為橫向振動、縱向振動以及動態張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統的不穩定，具體表現為膠帶斷裂、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 控制系統總體結構

控制系統主要由西門子G150變頻器、S7-300 PLC、S7-200 PLC、外部保護裝置等構成。控制系統包含3層網絡，分別為設備層、控制層、信息層。設備層負責采集現場控制儀表信息(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信息，信息層負責與廠級DCS中控通訊。系統共設置2個PLC工作站，A站放置在驅動間電氣室，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控制系統相連，采用DP通訊方式上傳各個工作站的工作狀態和故障信息，也可以接受全廠中控的命令。

1.2 控制系統硬件

控制系統硬件聯系圖見圖1。

1.2.1 變頻器

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

長距離兩點驅動輸送機的啟停控制和功率平衡協調控制是輸送機控制系統的關鍵所在，系統驅動采用變頻電機，配合變頻器實現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。輸送機系統采用中部雙驅，2臺電機之間距離較短，可近似認為硬耦合關系，因此，主驅動電機采用速度閉環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，實現轉矩閉環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 系統硬件聯系圖

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 系統軟件設計

PLC控制系統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通過網絡傳送至監控系統。為減小主干網的網絡負荷，各就地工作站完成對就地設備的狀態采集和就地控制，變頻器的狀態可以通過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。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，機尾的數據信號VB1516用于控制柜dp主機讀取，共2個字節，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用于接收主機的數據存放，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配置設置為內部profibus dp主站，DB2.DBX0-DB2.DBW14單元內容發送到機尾3#dp從站，共8個字節；DB3.DBX0-DB2.DBW30單元內容發送到機頭4#profibus dp從站，共16個字節。

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控制系統給定的優化S型速度曲線[3]輸出頻率，帶式輸送機平穩啟動。停車指令發出后，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，控制系統立刻發出停車指令，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)。

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下，PLC控制部分只是將以上大部分報警信號發送到遠程中控，由遠程中控來決定是否馬上停機，當發生拉繩開關操作和控制柜及現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故障等信號都進入PLC控制系統，參與系統的連鎖控制，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。各參數可根據現場情況和裝置、儀表精度在觸摸屏上進行調整。

3.2 抗電磁干擾措施

由于皮帶機運輸系統采用2臺大功率變頻器拖動，對供電電網諧波污染，空間磁場干擾嚴重，為了保證控制系統可靠運行，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)所有的模擬量經無源隔離模塊隔離后進入控制系統，確保參與控制的溫度信號穩定。

(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，不僅環保、安全、高效，節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、部件標準化等優點。基于2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、環保的、高效的。方案中友好的用戶操作界面能大大節約故障停機問題的查找與處理時間，2臺西門子G150 變頻器主從驅動方式實現轉矩閉環控制，取得理想的功率平衡效果，能夠有效降低功耗，節約生產成本，3層控制網絡的設計節約了系統硬件材料成本，完善的設備保護裝置增強了控制系統的安全性，同時也減少了系統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的研究[J].機械工程師，2016(4):186-187.