選煤廠皮帶輸送機變頻調速系統設計

李 強

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦選煤廠，太原 030203）

0 引言

皮帶輸送機已經有150多年的發展歷史，主要由輸送帶、滾筒、拉緊裝置等組成，用于長距離的貨物運輸[1]。選煤廠對煤炭進行洗選工藝流程操作，皮帶輸送機作為其中的關鍵設備，一旦其控制系統故障或者失效，將影響整個選煤廠生產的生產效率，甚至造成重大的安全事故[2-3]。目前大多選煤廠對皮帶輸送機采用繼電器為主的電控系統，這種方式具有線路復雜、可靠性低、控制精度差等缺點，逐漸不能滿足煤礦的生產規模與發展需求[4-5]。因此，本文設計了一種基于PLC控制的選煤廠皮帶輸送機變頻調速控制系統，以實現對輸送機的高精度控制。

1 總體設計與建模

1.1 皮帶輸送機模型

皮帶輸送機以輸送帶作為牽引機構和載體機構，是一種將貨物進行長距離運輸的設備。皮帶輸送機的結構如圖1所示，主要由輸送帶、傳動電機、驅動滾筒、壓緊裝置、托輥等組成。輸送帶通過纏繞在驅動滾筒、尾部滾筒和托輥上，形成輸送工作面，電機通過減速器來減速，從而有足夠大的扭矩帶動驅動滾筒轉動，通過張緊裝置設定一定的初拉力使得輸送帶拉緊，主軸滾筒通過摩擦力驅動輸送帶運行，進而使得皮帶輸送機完成運輸物料的功能。其中驅動滾筒安裝在卸料端以增大牽引力，有助于拖動。

圖1 皮帶輸送機結構圖

1.2 系統控制原理與功能

本文采用基于PLC的變頻調速系統作為皮帶輸送機的電控系統，控制系統采用主從結構。主站即處于調度室內的上位機，負責接收從站的信號，顯示皮帶機的運行參數以供工作人員查看并對其進行故障實時監測。當皮帶機運行故障時，系統可以直接檢測到故障位置并通過主站直接停止輸送機的運行。從站主要有PLC核心控制器、傳感器組和其他保護裝置負責采集皮帶機的運行數據，可實現對皮帶機進行直接控制，并對異常運行數據進行報警保護。系統的總體結構如圖2所示，其中從站控制器通過RS485總線技術將數據傳輸到上位機。

圖2 系統的總體結構

系統主要實現的功能：（1）動態顯示功能。控制系統的人機交互界面可實時顯示皮帶機的速度、軸溫、是否跑偏和堆煤等運行參數和故障信號；（2）連鎖功能。采用PLC控制器的優點之一就是可實現系統的連鎖、閉鎖等控制功能；（3）軟啟動功能。在重載工況下可實現低加速度平穩啟動，節約資源，提高生產效率，對設備有一定的保護作用；（4）故障保護功能。當系統運行時出現打滑、跑偏等故障時，系統可實現皮帶機的自動停車，等待維修人員處理。

系統的控制原理如圖3所示，采用雙閉環控制的方式，通過檢測電機輸出軸的轉速與位置，利用PID控制器調節電機的輸入頻率，保證電機的輸出質量。

圖3 系統的控制原理圖

1.3 變頻器的調速原理

本系統采用目前應用廣泛的交直交變頻器，其工作原理是通過整流結構將工頻交流電轉換為直流電，然后再利用逆變結構將直流電轉換為頻率可調的交流電。由電機的工作原理可知，轉速與電源的頻率和電壓成正比關系，所以通過改變電機電源的頻率可對電機的轉速進行調節，其利用的公式如式（1）。

式中：n為電機的輸出轉速；p為電機的極對數；f為電機的電源頻率；s為電機轉差率。

交直交變頻器的頻率可調范圍較寬，所以在對電機調速時控制的精度與范圍都比較高，其啟動加速度可以控制在0～0.05 m/s2，所以通過軟起動的方式可以實現皮帶輸送機的“S”曲線啟動，可有效降低電機部件在大功率啟動時受到的沖擊，同時避免電機過載被燒毀，使得帶式輸送機穩定運行。

圖4 變頻器的等效數學模型

圖4 所示為變頻器的等效數學模型。Vin為變頻器的輸入變量；K1為第一個放大器的比例系數；Vb為限幅器的限幅值；t0為積分時間常數，它就是系統所設定的電機加減速時間；K2為第二個放大器的比例系數，比例放大系數K=，P為系統設定的變頻器輸出頻率。

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2 系統硬件設計

2.1 PLC控制器選型

控制系統中PLC的主要實現3個功能：（1）數據采集與控制。包括傳動滾筒的溫度、運行工況和速度等實現一定的自動控制；（2）故障診斷。利用采集的數據計算設備的運行狀態，判斷是否產生故障；（3）人機對話。控制器將傳輸到調度室上位機，從而實現調度室對工作面帶式輸送機的遠程啟停和其他監控作用。

在綜合對比市面上的PLC控制器后，最終選用德國西門子公司生產S7-200 PLC系列的CPU224XP作為本控制系統的控制器。S7-200系列作為PLC可編程控制器的經典控制器，其結構設計緊湊，指令功能豐富，可以滿足帶式輸送機各項控制與計算要求[6-7]。S7-200系列的CPU224XP控制器程序編寫簡單，易上手，工人可通過簡單的梯形圖對其調試，并且工作可靠性高，抗干擾能力強。

2.2 傳感器組

傳感器作為實現本系統自動控制的關鍵部件，系統通過檢測設備運行數據實現自動控制和報警功能。根據本系統需要采集的數據分析，系統所需設置的傳感器有速度傳感器、跑偏傳感器、溫度傳感器和縱撕傳感器。各個傳感器的型號如表1所示。

表1 系統傳感器型號

2.3 RS485通訊方式

RS485屬于半雙工通信，傳輸距離可達1 000 m，傳輸速度最高可達10 Mbps[8]。RS485抗干擾能力強，傳輸數據準確率高，組合使用平衡驅動器和差分接收器，增強了共模性。設計的RS485串口接線如圖5所示，采用MAX485芯片實現信號傳輸。

圖5 RS485串口接線圖

3 軟件設計

系統初始化后進行自檢，當檢測到系統可正常運行時，系統開始啟動，主程序流程圖如圖6所示。軟件部分由自檢模塊、通訊模塊、數據采集模塊、故障監測模塊與自動控制模塊等組成。系統首先對皮帶進行張緊動作，保證皮帶機在運輸過程中，皮帶與滾筒之間存在足夠大的摩擦力，同時防止載荷沖擊對設備的損壞。系統通過數據收集模塊采集設備的信息，包括在上文中提到的速度、溫度等信號；通過自動控制模塊實現程序的調用，控制器對數據計算分析，實現設備的自動啟停與調速等功能；系統通過通訊模塊，以RS485的通訊方式將控制器處理后的數據與信號傳輸到上位機，工作人員可通過觸摸屏直接監測與控制皮帶輸送機。

圖6 主程序流程圖設計

4 結束語

本文設計了一種基于PLC控制器的皮帶輸送機變頻調速系統，采用位置與速度的雙閉環控制，通過變頻器改變電機的輸入頻率來調節皮帶機的運行速度，并且可實現“S”曲線式的速度調節。變頻控制系統實現了輸送機的軟起動，減少了設備在運行過程中受到的沖擊，系統的應用將會增大設備的運載量，降低運行時產生額能耗。