選煤廠破碎機變頻自動控制系統設計

薛 飛

（西山煤電集團有限責任公司太原選煤廠，山西太原 030023）

0 引言

煤炭作為我國重要的一次能源，其生產與處理的工藝流程受到廣泛關注。隨著國家提出“綠水青山就是金山銀山”理念后，在環境保護方面，對煤炭后處理工藝流程的要求也越來越高[1-2]。選煤廠通過機械加工或物理化學的處理方法消除原煤中含有的有害物質，礦井下直接開采出的原煤，由于其部分體積過大，無法直接進行洗選，需要使用破碎機對其進行破碎處理[3-4]。破碎機在運行工作時，所受負載不均勻，采用傳統的繼電器控制方式，故障較多，尤其在全年無休的工作模式下，無法滿足生產需求[5]。所以本文針對選煤廠設計了一種破碎機的變頻自動控制系統，可實現破碎機的軟起動，提高系統穩定性。

1 系統總體方案設計

1.1 系統結構設計

變頻控制系統的總圖結構如圖1所示。其主要結構由PLC控制器、變頻器、電機與傳感器等組成，控制器與上位機之間選擇CAN總線的串口通信方式實現信號的傳輸。為了實現變頻器閉環的速度控制功能，在驅動電機的輸出軸安裝有速度編碼器對電動機輸出的轉速信號進行采集。在對控制系統設計時，不僅僅要考慮控制的精度要求與速度要求，還要對系統運行時可能發生的故障進行預警、報錯及顯示功能，所以在系統的電機、傳動部分與破碎機內安裝傳感器，采集系統工作的溫度信號、電壓信號等，PLC控制器設有人機交互界面，實現系統的控制與顯示功能。

圖1 系統總體結構

1.2 控制方式設計

本控制系統選用PLC控制器作為系統的核心處理器，PLC可編程控制器主要由CPU模塊、電源模塊、I/O模塊以及通信模塊等組成。PLC控制器在編譯程序時較為簡單，即可使用代碼語言編程也可使用梯形圖編程，工人在實際操作中操作簡單，上手速度快。市場上PLC技術完全成熟，在工程控制領域應用廣泛，不論是在編程還是在配套軟件方面都具有完整的技術支持，并且具有良好的兼容性，通訊接口傳輸信號穩定，抗干擾能力強，在復雜環境下仍然具有穩定的工作能力，減少誤差[6-7]。

系統對破碎機控制的方式選用變頻驅動速度閉環控制，系統的控制原理圖如圖2所示。首先給系統設定1個速度值輸入給PLC，控制器通過控制變頻器改變電機的輸入頻率來改變電機的輸出轉速，安裝在電機輸出軸的速度傳感器將速度信號傳輸到PLC控制器，構成閉環控制系統，其中速度信號的測量可使用光電編碼器實現。設置光電編碼器的采樣周期為50 ms，即每50 ms采集脈沖1次，編碼器每轉發出8個脈沖，計算電機轉速公式如下。

式中：n為電機的轉速，r/min；Δm為單個周期內的脈沖數。

圖2 系統控制原理圖

本系統閉環控制環內引入了PID控制器，即比例、積分、微分環節。其中比例環節控制當前，積分環節控制過去，用來降低系統由于階躍變化所產生的穩態誤差，微分環節控制將來，計算誤差的一階導，可增加慣性控制系統的響應速度，并可有效的消除動態誤差。

2 系統硬件設計

2.1 PLC與變頻器選型設計

本系統PLC控制器選用西門子公司的S7-200型，S7-200型PLC控制器操作簡單，適用于小型自動化控制系統，具有快速的數據處理能力；系統連接簡便，組態處理方便；指令處理速度較快，縮短了系統執行命令的循環時間；最多可增加3個擴展模塊，芯片集成度高，節省了系統空間；具有功能強大的編程器和編程軟件[8]。S7-200型PLC具有運行和停止2種模式，當系統處于運行模式時，控制器執行用戶程序來滿足系統的控制要求；當處于停止模式時，處理器不執行用戶程序，用戶在此模式下設置系統要實現的功能，并將從編程軟件創建、編輯、編譯好的程序和數據傳輸到CPU處理器當中。除了受到控制工作模式的轉換以外，系統還可以通過軟件控制的方式調節控制器的運行和停止。

在對變頻器選型時，考慮破碎機負載不均勻，工況惡劣，本文最終選用西門子公司生產的MM440型號變頻器，其適用于高級矢量控制系統，可在負載突然變化的情況下保證高驅動性能。MM440變頻器具有快速的輸入響應，內部帶有制動斬波器，在制動時保障設備安全穩定停止工作。PLC控制器與變頻器之間的接線圖如圖3所示。

圖3 PLC與變頻器接線圖

西門子S7-200型PLC控制器與MM440變頻器之間采用USS通訊協議。用戶可調用程序實現設備之間的通信，其編程簡單、工作量小、費用低，減少了設備之間的布線，并且對硬件設備要求不高，可實現PLC控制器對變頻器的連續控制與監測。

2.2 通信模塊設計

調度室內的破碎機自動控制平臺與PLC控制器之間采用CAN通信的方式實現信號的傳輸。CAN總線由得過BOSCH公司開發，并最終成為國際標準，也是目前應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線是一種多主總線，可采用雙絞線、同軸電纜等作為通信介質實現數據傳輸，其最大傳輸速度可達1MB/s。

本文設計的CAN總線接口電路如圖4所示，采用了德國儀器公司生產的SN65HVD230收發器，由3.3V電壓源進行供電，其適用于具有良好抗干擾能力，較高通信速率的CAN總線通信方式。SN65HVD230收發器在不同傳輸速率下，都能保障信號的穩定性于精確性；具有低電流模式，可降低系統運行時的功耗；具有抗瞬間干擾，保護系統的能力，具有過熱保護等功能。

圖4 CAN總線接口電路設計

3 系統軟件設計

PLC控制系統的主程序采用子程序方式，通過梯形圖進行編制，PLC控制器通過調用各個子程序發送命令實現對變頻器的控制。由上文知PLC與變頻器之間采用USS通訊協議實現數據的傳輸，當中斷程序運行后，子程序將設定的速度值與命令參數等轉換為USS格式，設置發送標志位，將數據傳輸到變頻器。系統的主程序流程圖如圖5所示，其由初始化模塊，故障監測模塊，數據采集模塊，通訊模塊與邏輯控制等組成，其中系統的通訊模塊為CAN總線的通信方式，數據采集模塊包括電機轉速信號的采集和電機電壓、溫度等信號的采集，實現系統的控制與監測保護功能。在邏輯控制模塊即為啟動變頻器到變頻器停止階段，當達到啟動電機的條件時，啟動變頻器進而驅動電機達到設定轉速。

圖5 系統主程序的流程圖

4 結束語

本文設計了一種基于PLC的破碎機變頻控制系統來替代傳統的繼電器控制方式，系統通過在電機輸出軸安裝編碼器的方式檢測電機的轉速，通過引入PID控制器調節優化了動態響應，實現系統變頻驅動的閉環調速控制，PLC控制器與變頻器之間采用USS協議進行通訊，控制器與上位機采用CAN總線的通信方式實現數據傳輸，增強了系統的抗干擾能力?？刂葡到y的應用將會降低設備工作時的消耗，實現破碎機的軟起動，減少設備在受到沖擊時所造成的損壞，降低了故障發生率，提高了破碎機的穩定性與可靠性。