基于PLC礦用帶式運輸機變頻控制系統設計

凌建輝，趙云峰

（鹽城工學院，鹽城 224051）

0 引言

帶式運輸機因其運載能力強，可運輸距離遠，同時結構相對簡單等優點，常被用于煤礦井下運輸工作。常用帶式運輸機由多個額定功率幾十甚至幾百千瓦的電機作為驅動，其啟動會對電網造成較大的沖擊，一般全天候持續運行方式，煤礦生產時通過設定運輸機轉速以恒定的速度運行，在短時停產狀態將其設定至低轉速檔位，降低能源消耗[1]。運行過程不能根據運載量調整運輸速度，不能發揮運輸機的最大運載能力，長時間以較高運載速度運行，加劇軸承、皮帶等部件的磨損；同時空載狀態僅通過調至低速檔位通過減速器對電機進行降速，實際電機功率未發生變化，調速僅起到降低滾筒等部件機械損耗，造成能源浪費[2]。相關學者對礦用設備控制系統進行了深入研究，目前主要有：以位移和角度傳感器檢測到的垂直水平位移和機身傾斜角度偏差等為輸入參數實現對設備運行狀態進行控制，同時基于PLC控制器設計智能控制系統，對設備工作流程、簡單故障處理、部件切換等功能，能夠提升設備使用效率，降低設備運行過程故障率[3]。

參考上述研究，為解決帶式運輸機生產過程出現的問題，本文設計一種以S7-300 PLC為控制核心的運輸機自適應控制系統，實現運輸機速率與采煤量的聯動調整，并從電機運轉頻率方面對空載狀態下電機轉速進行優化，降低空載能量損耗[4]。

1 現有電控方案分析

原有運輸機控制方案如圖1所示，主要由各種保護裝置、隔離開關、控制保護裝置等串聯構成，啟動時通過接觸器閉合，帶動液力耦合器進行軟啟動，有兩種控制模式，在正常生產模式下，通過人工設定運行速度，各設備由系統集中控制，聯動工作完成運輸任務；一種為調試模式，設備處于調試或者故障狀態，可就地控制，設備之間不聯動運行，通過控制接觸線圈的通斷電實現設備的啟停[6]?？刂齐娐分写撆芷Ｗo、堵塞保護、過載保護、功率保護等檢測節點，是設備出現故障時能夠及時切斷電路并制動。

圖1 原有控制方案

該控制方案優點在于電路結構簡單，各組件調試、維護便捷，成本低廉，缺點在于無法根據采煤量自適應調控運輸機運轉速度，同時在低載或空載狀態通過調至低速檔位通過減速器對電機進行降速，實際電機功率未發生變化，調速僅起到降低滾筒等部件機械損耗，造成能源浪費，運輸機整體自動化程度較低。

2 控制系統設計

針對原有控制系統存在的缺陷，設計一種自適應變頻調速系統，以變頻器作為速度調節工具，構建以PLC為核心的控制電路，實現運輸機的自動控制。

2.1 變頻調速方案設計

變頻器通過將三相電流轉換為直流電，再根據需求轉換為不同頻率的交流電，從而使電機不同轉速[7]，變頻器原理如圖2所示。采用變頻器進行調速優點在于，通過變頻技術能夠更好的實現運輸機的軟啟動，對機械部件的沖擊力小，同時可根據電流頻率，根據需求實時調整電機轉速實現對電機轉速的控制，但變頻器在電機速度低時，輸出的脈沖密度比較低不能達到正弦波效果，導致電機易低速扭力不足、轉速不穩和發熱等問題，在運輸機低轉速狀態時，為使電機能夠保持在一個相對較高轉速狀態，在電機與主動齒輪之間添加減速器[8]?？刂齐娐贩矫?，采用主-從控制方案連接各變頻器，主控變頻器確定輸出扭矩，并同步至從動變頻器，主-從控制結構各部件連接如圖3所示。

圖2 變頻器原理圖

圖3 主-從控制結構圖

2.2 控制方案設計

在變頻調速方案的基礎上設計調速控制系統，能夠實現在自動模式下實現運輸機運轉速度與采煤量的聯動調整。整個控制系統由帶PLC控制組件的控制箱、電源柜、低壓配電柜、操作臺組成。PLC控制箱是電控系統的核心組件，由兩套S7-300的PLC作為核心處理器，整合各項運行數據，分工協作完成運輸機自動運行狀態下的控制；低壓配電柜負責控制系統的供電，變頻電源柜為運載電機供電；操作臺負責顯示電機、皮帶等設備的運行狀態及參數的預設、故障顯示等功能[9]。

2.3 硬件電路設計

采用上位機和下位機協調系統架構，結構如圖4所示，上位機負責控制與生產相關機電系統，通過預設的運輸機轉速與采煤量之間的梯形函數關系進行模糊控制，由下位機進行動態調整；下位機通過Profibus-DP現場總線與上位機相連，控制運輸機所有電機、散熱系統、各種傳感器等，接收上位機的調度控制指令，整定PID參數，實現運輸機的變頻調速控制。運輸機運行過程溫度和電機轉速等數據通過ET200M模塊進行實時監測。電機變頻調速采用MM430變頻器，電機和變頻器通過斷路器QF、濾波器LB、接觸器KM和電抗器L接入電網，連接如圖5所示[10]。

圖4 PLC系統架構

圖5 電機斷電路結構圖

3 PLC控制系統程序設計

所有PLC控制程序采用STEP7和WinCC進行結構化程序設計，系統的各個功能模塊獨立編程，匯總到主程序進行調用。運輸機電控系統應用程序流程圖如圖6所示。

圖6 電控系統流程圖

1）輔機啟動：運輸機正式啟動前，保障其平穩運行的各輔機如油泵、制動系統、散熱系統等需提前運行，各輔機對運輸機運行至關重要，輔機正常運行是運輸機啟動的先決條件。

2）回路自檢：各傳感器、硬件、軟件等安全回路啟動并自檢，檢測各機械部件是否處于復位狀態，對故障進行報警并制動，當所有故障解除后，自動解除制動。

3）啟動準備：系統檢測各連鎖手柄是否出閉合狀態，達到啟動條件系統進入待機狀態等待模式選擇，若未達到啟動條件，系統提示故障所在區域，解除故障后即可進入待機狀態。

4）運行模式選擇：運輸機運行模式主要可分為手動調試和自動運行模式，手動模式由操作人員自行控制調整各電機的運轉，自動模式下運輸機由控制系統自動控制，其程序流程圖如圖7所示。

圖7 自動模式控制邏輯圖

4 控制系統驗證

為驗證節能控制系統的可行性，搭建模擬樣機對自動控制模式下系統運行狀態進行模擬測試。14調試主要可分為三個步驟，首先完成PLC控制箱、低壓配電柜、變頻電源柜、操作臺等關鍵組件的接線進行檢查；進一步對輔機、各個安全回路供電，檢查系統的運行狀態；第三步在操作臺調用自動運行模式，模擬運輸機在空載和不同采煤量的狀態下運行情況，系統在不同負載量的情況下速度進行階梯調整如圖8所示，空載狀態下速度將滿負荷工作速度降低90%，大幅降低空載能量損耗[11]。

圖8 負載-速度分布圖

5 結語

針對現有現有運輸機控制方案存在的缺點，基于S7-300 PLC控制單元設計一種節能控制系統，實現運輸機運行速度與采煤量的聯動調整，大幅降低運輸機空載造成的能源浪費。詳細闡述了自動控制系統的原理、邏輯流程、系統結構等，并通過模擬樣機對系統各項功能進行驗證，解決了運輸機原有控制方案存在的缺陷，能夠延長運輸機各部件的使用壽命，降低能耗，提高了企業的經濟效益。