基于PLC的皮帶運輸機控制系統設計

冀鵬沖

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

皮帶輸送機作為一種連續搬運物料的設備，具有運輸簡單、維護成本低、可運輸復雜線路等優點，廣泛應用于煤礦在日常生產過程中，是運輸煤炭的主要設備之一[1-2]。隨著國內技術的深化改革，煤礦的生產技術日益發展，對帶式輸送機的運輸技術提出了更高的要求，并且隨著供給側改革的推進，煤炭企業對節能減排越來越重視，帶式輸送機作為煤炭運輸的重要環節，其能耗效率是煤炭節能的重點之一[3-4]。目前，國內大多數煤礦帶式輸送機采用恒速的運行方式，這樣不但增加了設備的磨損率，降低了設備的使用壽命，也造成了電能的浪費[5]。因此，本文針對傳統皮帶運輸機的節能運行進行了分析，設計了基于PLC 的控制系統。

1 皮帶運輸機運行狀態

皮帶運輸機利用電動機為驅動裝置，通過減速器降速增扭，帶動驅動滾筒轉動，利用輸送帶承載與運輸物料。整個皮帶運輸機系統包括驅動電機、皮帶、減速器、托輥、控制系統及綜合保護裝置等設備。

皮帶輸送機在設計初期時，根據煤礦的生產需求與運載量來確定整機的功率、速度等參數。在正常工作過程中，驅動電機處于工頻運行狀態，輸送帶保持恒定的運行速度，但是在實際過程中，由于開采條件的限制與地質環境的影響，輸送帶工況條件不穩定，負載波動較大，設備造成的功能損耗嚴重。

本文對皮帶輸送機在運行過程中的阻力進行分析，根據阻力產生的原因及作用效果將其分為3類：基本阻力、傾斜阻力與附加阻力。基本阻力在所有阻力中占比最大，主要集中于皮帶輸送機的中部，其主要由托輥的運行阻力、壓陷阻力和物料的擠壓阻力等部分組成。由于皮帶輸送機受礦井環境影響，在裝載部位和卸料部位之間有一定的高度差，所以運輸線路與地面之間存在傾角，造成了設備的傾斜阻力。皮帶輸送機的附加阻力主要產生于各零部件之間的摩擦變形，如改向滾筒轉動時，材料發生變形產生的阻力、驅動滾筒轉動時受到的摩擦阻力、煤料落到輸送帶上時沖擊產生的阻力等。

2 控制系統方案

本文設計的皮帶輸送機控制系統的總體方案如圖1 所示，系統主要由上位機、PLC 控制器、傳感器模塊、電參數信號采集模塊與變頻器等裝置組成。上位機負責實時監測皮帶運輸機的工作狀態及各參數信號，方便工作人員的統一調度，主要由組態軟件與計算軟件等組成。PLC 為控制系統的核心模塊，負責接收各傳感器傳輸回來的模擬與數字信號，通過邏輯運算與數據分析，控制變頻輸出，從而實現皮帶輸送機的變頻控制，其還具有以太網通信模塊，實現與上位機的信息傳輸功能。電參數信號采集模塊負責測量皮帶輸送機在運行過程中的電流、電壓與功率等電參數信號，為變頻控制及故障診斷提供數據參考。傳感器模塊主要包括速度傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器與堆煤傳感器等，負責測量皮帶運輸機運行過程中的模擬量信號。變頻器是系統的關鍵部件之一，通過PLC 控制變頻器的輸出頻率，進而實現電機轉速的調節，達到節能調速的目的。

圖1 控制系統的整體結構

3 控制系統硬件

控制系統的硬件包括處理器、變頻器、綜合保護裝置、電參數信號采集模塊與傳感器模塊組成，以下將對這幾部分進行選型設計。

3.1 處理器及變頻器選型

本系統的核心處理器選用可編程控制器，其具體功能主要有3點：信號采集、故障判斷及控制與人機交互功能。根據系統輸入與輸出點的分配需求，本文選用某公司生產的Q 系列PLC 控制器，該系列控制器的功能較全，擴展模塊的數量較多，可搭配遠程控制模塊使用，并且控制器還具有體積小、工作穩定的優點。控制器包含有CC-LINK模塊，可大幅降低工作人員編譯程序的時間，降低擴展開發的難度。

皮帶輸送機控制系統選用的SIMOVERT MV變頻器實現電機的轉速調節，變頻器的基本組成部分有整流器、逆變器和直流母線等組成。整流器是由2個三相二級管搭接而成，負責將輸入的交流電源整流為直流電源；直流母線由電容器與晶閘管組成，負責傳輸整流之后的直流電流；逆變器6 個IGBT模塊組成，負責將直流電源逆變為所需頻率的交流電源。

3.2 傳感器模塊選型

傳感器模塊主要包括速度傳感器、溫度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器與堆煤傳感器等，用于測量皮帶運輸機運行過程中的模擬量信號。

速度傳感器采用光電傳感器，主要由探頭和摩擦滾筒組成，通常安裝于皮帶的背面，依靠重力作用貼附與皮帶，具有測速精度高，抗干擾等優點。速度傳感器主要用于檢測皮帶的運行速度，判斷是否發生打滑、超速等故障。跑偏傳感器采用CEJ4裝置，在輸送機的首尾各安裝一組，在較長線路每隔300 m一組，對皮帶的位置進行檢測，當偏移中心線大于12°時，裝置自動報警。煙霧傳感器選用礦用氣敏型探頭，當檢測到煙霧的區域濃度大于或等于0.15 mg/m3時，裝置將自動報警。溫度傳感器采用集合測溫裝置，可設定報警溫度及警示范圍，利用測溫探頭測量區域的溫度，當超過或低于設定闕值時，裝置報警。堆煤傳感器采用機械式結構，利用凸輪裝置檢測煤倉的煤位，當煤料的傾角大于30°后，裝置自動報警，展開清掃動作。

4 控制系統軟件

系統主程序流程提如圖2 所示，系統初始化后，分別執行自檢子程序、串口通信子程序、信號采集子程序、故障診斷子程序。系統根據稱重傳感器上采集到的質量數據，分別執行3種不同的調速方式，以充分利用電能，達到節能效果。

圖2 控制系統軟件主程序流程圖

5 結束語

本文設計了一種基于PLC 的皮帶輸送機控制系統，采用變頻調速的控制方式，具有較好節能效果與控制精度。系統通過各信號采集模塊實時監測皮帶機運行狀態，保障設備的安全性與可靠性，并根據皮帶上的煤料質量，調節皮帶的運行模式，進一步提高能源利用率。