皮帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)變頻控制張緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 飛

(陽(yáng)煤一礦 機(jī)電工區(qū)，山西 陽(yáng)泉 045008)

0 引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)是煤礦開采過程中的重要運(yùn)輸設(shè)備，扮演著不可或缺的角色。目前大型、長(zhǎng)距離的皮帶運(yùn)輸機(jī)張緊系統(tǒng)多采用液壓自動(dòng)張緊裝置，將液壓缸作為執(zhí)行元件，配合張緊小車與慢速絞車，可實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)在不同工況下皮帶張緊力的自動(dòng)調(diào)整，解決了皮帶的打滑、松弛等問題。但是液壓自動(dòng)張緊裝置過于復(fù)雜、設(shè)備故障率高，發(fā)生故障時(shí)排查周期長(zhǎng)，檢修難度大，同時(shí)裝置響應(yīng)速度也相對(duì)較慢，難以滿足煤礦生產(chǎn)的需求[1，2]。

針對(duì)上述存在的問題，本文對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)中的液壓自動(dòng)張緊裝置進(jìn)行了優(yōu)化改造，提出了一種基于PLC的自動(dòng)變頻控制張緊系統(tǒng)，使用防爆變頻器代替原有的液壓油缸，通過PLC控制防爆變頻器進(jìn)而控制慢速絞車的電動(dòng)機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)在不同工況下的皮帶張緊力自動(dòng)調(diào)整，解決了液壓自動(dòng)張緊裝置的缺點(diǎn)與不足。

1 皮帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)變頻控制張緊系統(tǒng)總體架構(gòu)

皮帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)變頻控制張緊系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、PLC、傳感器檢測(cè)單元、液晶顯示單元、按鍵輸入單元、變頻器單元、電動(dòng)機(jī)單元、張緊絞車、冷卻系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等。其中，防爆變頻器在長(zhǎng)時(shí)間工作過程中，由于自身溫度不斷升高可能導(dǎo)致其不能正常工作，因此冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)防爆變頻器進(jìn)行降溫；冷卻系統(tǒng)中存在降溫水箱，溫度傳感器負(fù)責(zé)對(duì)水箱中的水溫進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)警，為電控系統(tǒng)的工作提供條件；張力傳感器負(fù)責(zé)對(duì)張緊絞車附屬的鋼絲繩進(jìn)行張力檢測(cè)，并傳輸給PLC；液晶顯示單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；聲光報(bào)警單元負(fù)責(zé)溫度和張力的超限預(yù)警；按鍵輸入單元負(fù)責(zé)設(shè)定溫度和張力的閾值范圍；PLC負(fù)責(zé)對(duì)傳感器傳輸?shù)臋z測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并下發(fā)控制指令，同時(shí)需要將相關(guān)信息上傳到上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，方便遠(yuǎn)程工作人員進(jìn)行監(jiān)控；上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；變頻器通過調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)張緊絞車電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

圖1 皮帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)變頻控制張緊系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型

井下皮帶運(yùn)輸機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)環(huán)境及功能需求，選用西門子S2-700系列PLC作為主控制器，該系列PLC具有豐富的指令集，抗干擾能力強(qiáng)，功能強(qiáng)大，非常適用于井下工作[3]。PLC的中央處理器模塊選用CPU226，該模塊具有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能，根據(jù)張緊系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)擴(kuò)展一個(gè)EM235模擬量輸入輸出模塊和一個(gè)以太網(wǎng)通訊模塊。

2.2 傳感器選型

本文使用了兩種傳感器，分別為溫度傳感器和張力傳感器。其中，使用兩個(gè)溫度傳感器，一個(gè)安裝在冷卻系統(tǒng)的水箱中用于水溫檢測(cè)；另一個(gè)安裝在制動(dòng)系統(tǒng)的液壓泵站上，用于油溫的檢測(cè)。使用一個(gè)張力傳感器安裝在張緊絞車的鋼絲繩上，用于采集鋼絲繩的張力并等效為皮帶的張力。

溫度傳感器選用型號(hào)為PT100的傳感器，該傳感器是一款鉑熱電阻型傳感器，穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高，測(cè)量范圍為-200 ℃～+850 ℃[4]，非常適合冷卻系統(tǒng)和液壓泵站這種場(chǎng)合，可通過EM235模擬量輸入輸出模塊與PLC進(jìn)行對(duì)接。

張力傳感器選用型號(hào)為PR6201的傳感器，量程范圍為0 t～1 t，該型號(hào)傳感器測(cè)量精度高、誤差小，可在20 ℃～80 ℃的溫度范圍內(nèi)工作[5]。張力傳感器在檢測(cè)到鋼絲繩的張力數(shù)據(jù)后，經(jīng)EM235模擬量輸入輸出模塊與PLC進(jìn)行對(duì)接，PLC對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并在液晶顯示單元端進(jìn)行顯示，同時(shí)通過工業(yè)以太網(wǎng)向上發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)端，以曲線形式進(jìn)行顯示。

2.3 變頻器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

系統(tǒng)中變頻器單元的選型非常重要。張緊絞車的電動(dòng)機(jī)要求可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，因此采用四象限變頻器，具體選用ABB公司生產(chǎn)的ACS800-11變頻器，該變頻器在PLC的控制下可通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電壓頻率來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速變化，最終實(shí)現(xiàn)皮帶的張緊。

電動(dòng)機(jī)單元采用永磁同步電機(jī)PMSM的T(B)YCS-110-32/45(660/380)，采用PMSM直驅(qū)傳動(dòng)方案，該傳動(dòng)方案穩(wěn)定性好、效率高[6]。PMSM控制方式采用矢量控制技術(shù)，將電動(dòng)機(jī)定子端電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量?jī)蓚€(gè)相互正交的分量，通過分別控制這兩個(gè)分量來實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的控制。圖2為變頻器單元與電動(dòng)機(jī)單元的控制方案框圖。

圖2 變頻器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方案框圖

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PLC是整個(gè)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的核心部分，其內(nèi)部的操作程序決定著系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，由主程序統(tǒng)籌全局，各子程序分別實(shí)現(xiàn)自己的功能并同時(shí)相互聯(lián)系，由主程序?qū)嵭姓{(diào)用，完成系統(tǒng)功能。編程軟件采用STEP7-Micro/WIN32，各子程序采用梯形圖編程方式進(jìn)行開發(fā)，方便程序調(diào)試、修改。下位機(jī)程序包括傳感器檢測(cè)子程序、液晶顯示子程序、聲光報(bào)警子程序、參數(shù)設(shè)置子程序、張力調(diào)節(jié)子程序、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序和以太網(wǎng)通訊子程序等。圖3為變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)整個(gè)工作過程的程序流程圖。

圖3 變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)工作過程流程框圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)與井下的PLC主控制器進(jìn)行連接，采用可應(yīng)用于工業(yè)級(jí)別的控制機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控平臺(tái)使用西門子公司的WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)[7]。通過上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，工作人員可對(duì)井下皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)控制指令的下達(dá)，提高了管理效率。監(jiān)控界面采用了界面模塊化的設(shè)計(jì)思想，平臺(tái)界面架構(gòu)圖如圖4所示。監(jiān)控平臺(tái)包括用戶界面、系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面、手動(dòng)控制界面和預(yù)警界面。用戶界面可進(jìn)行用戶登錄、注銷、注冊(cè)；系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面主要是對(duì)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便工作人員對(duì)系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行了解，同時(shí)還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；手動(dòng)控制界面可以讓工作人員通過手動(dòng)方式控制皮帶的松緊情況；預(yù)警界面可對(duì)歷史報(bào)警情況進(jìn)行查詢，對(duì)傳感器檢測(cè)范圍進(jìn)行閾值設(shè)置。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)界面架構(gòu)

4 結(jié)論

針對(duì)目前液壓自動(dòng)張緊系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)與不足，本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC的自動(dòng)變頻控制張緊系統(tǒng)，以溫度傳感器與張力傳感器為檢測(cè)單元，以防爆變頻器與永磁同步電機(jī)為電氣傳動(dòng)設(shè)備，通過PLC主控制器進(jìn)行控制，很好地實(shí)現(xiàn)了皮帶運(yùn)輸機(jī)在不同工況下的皮帶張緊力自動(dòng)調(diào)整。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，具備液壓自動(dòng)張緊系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生了很好的應(yīng)用效果，為煤礦生產(chǎn)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。