選煤廠皮帶機(jī)自控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

靳偉義

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭洗選分公司，山西大同 037001）

0 引言

帶式輸送機(jī)是連續(xù)輸送機(jī)械的一個(gè)類別，以輸送帶為承載機(jī)構(gòu)，利用托輥、滾筒與皮帶之間的摩擦力傳遞電機(jī)的扭矩，以達(dá)到連續(xù)輸送物料的目的[1]。皮帶機(jī)可將各種粉狀、顆粒與塊狀物料通過一定的輸送線路，從一個(gè)裝載定點(diǎn)運(yùn)輸?shù)叫遁d定點(diǎn)，在各工程領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[2-3]。選煤廠是煤炭加工的最后，也是最重要的一個(gè)場(chǎng)所，分選加工的好壞對(duì)煤炭的燃燒效率與有害氣體排放量息息相關(guān)，皮帶機(jī)作為選煤廠中運(yùn)輸煤料的機(jī)械設(shè)備，其工作效率、安全可靠性對(duì)選煤加工有著重要的影響[4-5]。本文針對(duì)選煤廠的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 帶式輸送機(jī)阻力分析

帶式輸送機(jī)主要由輸送帶、驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、上下托輥與控制系統(tǒng)等組成，其工作原理圖如圖1所示。帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸物料的過程中，各部件內(nèi)部或與物料之間會(huì)產(chǎn)生相互作用力，把這些相互作用力統(tǒng)稱為運(yùn)行阻力。根據(jù)運(yùn)行阻力對(duì)帶式輸送機(jī)的影響程度，可將其分為主要阻力、提升阻力、附加阻力和特殊阻力4類[6]。主要阻力對(duì)皮帶機(jī)的影響最大，主要產(chǎn)生于皮帶機(jī)的承載段，提升阻力和附加阻力對(duì)皮帶機(jī)的影響程度相對(duì)較小，特殊阻力則需要結(jié)合皮帶機(jī)的工作實(shí)況決定。

圖1 帶式輸送機(jī)工作原理圖

皮帶機(jī)的主要阻力是由于在輸送煤炭的過程中，物料與皮帶和托輥之間不斷地摩擦、擠壓造成的。根據(jù)作用力產(chǎn)生原因的不同，可以分為與皮帶張力有關(guān)的主要阻力，與托輥轉(zhuǎn)速相關(guān)的主要阻力。與皮帶張力相關(guān)的阻力一般包括皮帶擠壓阻力、物料擠壓阻力、皮帶彎曲阻力和物料彎曲阻力等。與托輥轉(zhuǎn)速相關(guān)的阻力一般包括托輥運(yùn)行阻力和托輥彎曲阻力[7]。皮帶機(jī)所受主要阻力的計(jì)算公式為：

式中：f為皮帶的摩擦因數(shù)；L為輸送距離，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；q0與qv分別為上、下托輥單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg；q為皮帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg；qB為單位長(zhǎng)度皮帶上輸送煤料的質(zhì)量，kg；β為皮帶機(jī)的傾斜角度，（°）。

提升阻力的主要影響因素是運(yùn)輸線路的傾斜角，傾斜角越大阻力越大。提升阻力的計(jì)算公式為：

選煤廠皮帶輸送機(jī)的實(shí)際工況，相對(duì)于井下環(huán)境要簡(jiǎn)單一些，相應(yīng)的輔助設(shè)備較少，附加阻力與特殊阻力在整體中所占比值很小，可以忽略不計(jì)。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置選型

皮帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置主要有籠型電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、繞線交流電動(dòng)機(jī)與交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)等類型。根據(jù)選煤廠的實(shí)際工況，對(duì)皮帶機(jī)的啟動(dòng)性能、制動(dòng)性能及負(fù)載均衡能力綜合對(duì)比分析后，系統(tǒng)采用交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的方式。皮帶機(jī)總功率為：

式中：Pk、PH、PT分別為皮帶機(jī)的空載功率、驅(qū)動(dòng)功率與提升功率，單位為kW，計(jì)算公式分別如下：

2.2 控制方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的選煤廠皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、PLC控制器、變頻器、故障報(bào)警裝置與各類監(jiān)測(cè)傳感器等設(shè)備組成。上位機(jī)安裝于工控室內(nèi)，通過以太環(huán)網(wǎng)與PLC控制器連接，方便工作人員通過上位機(jī)的人機(jī)交互界面對(duì)皮帶機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。PLC通過PROFIBUS通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)指令到變頻器，變頻器通過改變電機(jī)的輸入頻率大小，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。

3 控制系統(tǒng)硬件

3.1 系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選煤廠皮帶機(jī)自控系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由PLC的核心CPU、綜合保護(hù)裝置、變頻器與各監(jiān)測(cè)傳感器組成。其中，各監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)的運(yùn)行工況，監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)的速度信號(hào)、溫度信號(hào)與其他故障信號(hào)等，將信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換傳輸?shù)紺PU處理器中，經(jīng)過處理器計(jì)算分析，判斷皮帶機(jī)是否故障，控制綜合保護(hù)裝置對(duì)皮帶機(jī)的故障進(jìn)行修正。系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)的速度信號(hào)與物料信號(hào)等，通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，形成負(fù)反饋閉環(huán)控制，保障皮帶機(jī)的正常運(yùn)行。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 PLC控制器與變頻器選型

選煤廠皮帶機(jī)系統(tǒng)的控制器主要完成3個(gè)功能：（1）實(shí)時(shí)采集皮帶機(jī)的溫度信號(hào)、速度信號(hào)等數(shù)據(jù)；（2）依據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，判斷皮帶機(jī)的運(yùn)行工況，是否故障等，并自動(dòng)報(bào)警或停機(jī)處理；（3）人機(jī)交互，可將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，方便工作人員監(jiān)測(cè)，并通過上位機(jī)對(duì)皮帶機(jī)的啟動(dòng)、停止等進(jìn)行控制。

通過綜合考慮性能要求與經(jīng)濟(jì)成本，本文選用西門子公司S7-300控制器，具體為CPU315-2DP型號(hào)。本文選擇的變頻器型號(hào)為矢量控制方式的SIMOVERT MV變頻器，SIMOVERT MV變頻器為西門子公司研發(fā)生產(chǎn)的全數(shù)字、矢量控制方式的變頻器，可控制三相異步交流電動(dòng)機(jī)的電壓范圍為2.3～6.6 kV。通過SIMOVERT MV變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，具有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)、啟動(dòng)電流小、功率因數(shù)高，可軟起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，SIMOVERT MV變頻器可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速精度較高，速度同步好，傳動(dòng)效率高，功率損耗小[8]。

3.3 綜合保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)帶式輸送機(jī)的系統(tǒng)保護(hù)要求，系統(tǒng)必須具有綜合保護(hù)裝置，具體包括防跑偏裝置、防打滑裝置、防斷帶裝置、防縱向撕裂裝置等。本文中采用ZJZ-127S煤礦帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置，采用雙音頻傳輸技術(shù)傳輸皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，顯示較為直觀。ZJZ-127S綜合保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能有：速度保護(hù)、堆煤保護(hù)、跑偏保護(hù)、煙霧保護(hù)、溫度保護(hù)、沿線緊急停車保護(hù)等。

4 控制系統(tǒng)軟件

本文通過西門子STEP7軟件編寫PLC的控制程序。STEP7使用SIMATIC管理器選煤廠的皮帶機(jī)進(jìn)行控制管理，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能參數(shù)配置、故障診斷、自動(dòng)控制功能。STEP7軟件所使用的編程語(yǔ)言有語(yǔ)句表、梯形圖和功能表3種，初學(xué)者通過梯形圖編程，規(guī)則簡(jiǎn)單，易掌握，利于后期的擴(kuò)展開發(fā)。STEP7軟件可實(shí)現(xiàn)離線狀態(tài)下的程序編譯和儲(chǔ)存，具有較高的工作效率，系統(tǒng)部分軟件程序如圖3所示。

圖3 STEP軟件編程圖

圖4 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

本文對(duì)系統(tǒng)的主程序流程圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖4所示。系統(tǒng)初始化后，進(jìn)行自診斷，系統(tǒng)無(wú)故障后運(yùn)行數(shù)據(jù)采集子程序，啟動(dòng)皮帶機(jī)，對(duì)皮帶機(jī)的速度進(jìn)行負(fù)反饋?zhàn)冾l調(diào)速控制，綜合保護(hù)系統(tǒng)對(duì)皮帶機(jī)的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，報(bào)警裝置報(bào)警，并對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行停機(jī)維護(hù)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的選煤廠皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)速度的負(fù)反饋?zhàn)冾l調(diào)速控制，具有較高的可靠性，保障皮帶機(jī)的工作效率，滿足選煤廠的日常生產(chǎn)要求。