膠帶輸送機自動化優(yōu)化設計應用*

劉永輝

(山西孝義西山德順煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300)

0 引 言

隨著礦井智能化、少人化、信息化建設水平的不斷推進，膠帶輸送機在礦井生產(chǎn)中的作用越來越突出。膠帶輸送機利用負載與輸送帶之間的摩擦力，負載隨著輸送帶的運行進行運輸，到機頭部位時，輸送帶上的負載通過卸載滾筒裝置和慣性脫離輸送帶，完成負載運輸。膠帶輸送機具有運載連續(xù)性、自動卸載功能、運輸平穩(wěn)、能量損耗低等優(yōu)點，廣泛應用于礦井生產(chǎn)，但是對其自動化、智能化水平也提出了更高的要求。國內(nèi)外科研人員就如何提高膠帶輸送機的智能化水平，提高運行效率展開了深入研究，如將變頻控制技術(shù)、單片機技術(shù)、通信技術(shù)等引入膠帶輸送機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)膠帶輸送機的變頻、線控控制[1-2]；如研究膠帶輸送機的啟動特性和動態(tài)穩(wěn)定特性，降低啟動電流，保護膠帶輸送機的機械部件，提升運行速度[3]；如研究膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)，滿足更大的運輸量、遠距離大長度、更大輸出功率、速度與電流系統(tǒng)的閉環(huán)控制、更高自動化工藝控制等模式發(fā)展[4-5]。筆者針對膠帶輸送機控制系統(tǒng)存在控制方式落后、故障發(fā)生率高的現(xiàn)狀，結(jié)合智能化礦井建設改造目標，以變頻控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)實現(xiàn)膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級。

1 總體設計

膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)設計的目的是對原控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，將原西門子S7200 PLC控制器替換為性能高、響應速度快、擴展性好的CPU315-2 DP控制器，對機頭、機尾電機進行變頻控制并增加膠帶輸送機集中控制平臺，提升膠帶輸送機智能化控制水平。膠帶輸送機驅(qū)動系統(tǒng)總體設計架構(gòu)見圖1所示，采用ABB公司ACS1000變頻器進行系統(tǒng)主從控制，主機與從機接受的所有命令和給定數(shù)值都是從主機控制盤或與主機相連接的外部控制臺輸送過來的，從機是通過由連接到主機的光纜接口獲得各種信號。將變頻器驅(qū)動控制系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)進行有統(tǒng)一平臺進行連接結(jié)合。通過綜合自動化控制系統(tǒng)，把變頻調(diào)速驅(qū)動的具體參數(shù)、控制命令、技術(shù)設置等，通過自動控制系統(tǒng)，全部接入到企業(yè)控制調(diào)度室系統(tǒng)，然后進行統(tǒng)一配置、調(diào)配等。高壓供電系統(tǒng)、減速機油泵、變頻器、輔助電機、降溫系統(tǒng)、膠帶保護、信號采集控制是變頻調(diào)速驅(qū)動控制主要組成部分。控制系統(tǒng)的主站是膠帶輸送機PLC柜，通過profibus-DP通訊連接四臺ABB ACS-1000變頻器，控制膠帶輸送機的啟停；還通過MODBUS通訊連接溫度采集裝置，采集主要設備的溫度狀況。

圖1 膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)總體設計架構(gòu)

在設計膠帶輸送機自動控制方案時，需設需滿足以下要求[6-7]：①設計集中控制、就地控制、檢修模式三種工作模式。在集中控制模式下，各設備按照煤流方向組成集中控制運行，依據(jù)前后閉鎖關(guān)系，自動啟停，自動檢測各保護設備的動作狀態(tài)。選用就地控制模式，膠帶輸送機司機就地進行操作，按“啟動”、“停止”按鈕，控制皮帶機，所有保護設備都投入使用，每臺設備存在前后級聯(lián)鎖關(guān)系。檢修工作模式下，皮帶司機就地操作按鈕，“啟動”“停止”按鈕來控制啟停，保護設備可有選擇性的投入，皮帶機可低速運轉(zhuǎn)，設備間不存在閉鎖。只有在皮帶機停運時，工作方式才能改變，運行狀態(tài)，工作方式不能改變；②設計故障信號處理機制，故障信號一旦發(fā)出，信號自動保持；故障經(jīng)過處理，故障消失；設計故障和異常進行實時聲光提示報警，狀態(tài)對位顯示便于維護；③設計多種保護機制，如：緊急停車、皮帶跑偏、打滑、堆煤、高溫灑水、煙霧感應、滾筒超溫和皮帶撕裂等；④具有聯(lián)網(wǎng)功能，能與全礦井自動化監(jiān)控系統(tǒng)可靠通訊、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 硬件設計

膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)硬件方案中的關(guān)鍵是PLC控制器，選取CPU315-2 DP CPU，該控制器配置現(xiàn)場總線PROFIBUS -DP接口的模塊；內(nèi)置80KB RAM，48KB隨機存儲器[8]，1024個數(shù)字量I/O點數(shù)為，128個最大模擬量I/O通道，滿足膠帶輸送機自動化控制需求。表1為CPU315-2 DP 輸入/輸出點地址分配。

表1 膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)CPU315-2 DP 輸入/輸出點地址分配

3 軟件設計

3.1 PLC程序設計

膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)軟件基于STEP7編程軟件實現(xiàn)，采用梯形圖和語句表混合，經(jīng)過編譯后程序，可直接下載入PLC的內(nèi)存中，進行執(zhí)行，通過調(diào)試，實現(xiàn)在線監(jiān)視程序中各個點的通斷狀況，并且在線狀態(tài)下，進行變量值的修改、強制等，便于調(diào)試，圖2所示為PLC程序系統(tǒng)總流程。

圖2 膠帶輸送機控制系統(tǒng)PLC軟件流程圖

3.2 集控軟件設計

設計的膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)集控軟件基于北京亞控公司的組態(tài)王V6.53實現(xiàn)。組態(tài)王分別通過以太網(wǎng)與三個PLC控制柜建立三個連接，分別讀取數(shù)據(jù)和下發(fā)控制指令，這樣做的好處是減少了三個數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)，程序容量變小，有利于減少程序執(zhí)行循環(huán)時間。主控臺安裝1臺主機，1臺副機，1臺正常工作，1臺備用運行，兩臺內(nèi)全部安裝運行程序，主井機房內(nèi)操作人員，在操作界面既可完成皮帶機的啟動、停車、急停，在井上操作室既可實現(xiàn)井下皮帶機的操作。操作工在井上電腦前既可完全掌控皮帶機的運行情況。集控系統(tǒng)總共有以下畫面：①各條皮帶運行動態(tài)畫面，直觀、形象地顯示各條皮帶機運行、停止狀態(tài)，顯現(xiàn)了各條皮帶機的運行參數(shù)，包括皮帶機的通訊狀態(tài)、工作方式、電機電流、運行帶速等情況；②各條膠帶輸送機保護的監(jiān)控情況，包括各種保護的工作情況、電機的前后軸溫度、定子繞組溫度、減速機油溫、變頻器水溫等；③事故記錄追憶畫面，各種事故在主機中保存，故障記錄報表可以保存365天，故障、模擬數(shù)據(jù)保存一周時間；④后臺計算功能，根據(jù)實時運輸數(shù)據(jù)及時統(tǒng)計、分析，自動生成生產(chǎn)報表；⑤畫面具有自動切換功能，在正常工作狀態(tài)下，所有的監(jiān)控圖像畫面及內(nèi)容，按順序和切換周期自動循環(huán)顯示。設計的膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)集控軟件主界面見圖3所示。

圖3 膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)集控軟件主界面

4 應用分析

優(yōu)化后的膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)在西山德順煤業(yè)有限公司進行工業(yè)試驗，膠帶輸送機的主要技術(shù)參數(shù)見表2所列，變頻控制膠帶輸送機機頭、機尾三臺變頻異步電動機，驅(qū)動膠帶輸送機穩(wěn)定運行。

表2 膠帶輸送機主要技術(shù)參數(shù)

通過現(xiàn)場設備試驗，結(jié)合膠帶輸送機空載起動、加載、停車階段的力矩、電流、速度曲線變化的分析，檢驗膠帶輸送機變頻器驅(qū)動系統(tǒng)能否滿足各種過程中要求，進而驗證膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。表3所列為膠帶輸送機控制系統(tǒng)優(yōu)化前后的運行效率、帶速、節(jié)約電費、機械損耗、推廣價值等指標的比較。由表3可知，優(yōu)化后的膠帶輸送機控制系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟效率和推廣價值。

表3 膠帶輸送機控制系統(tǒng)優(yōu)化前后性能比較

膠帶輸送機在空載啟動時驅(qū)動滾筒的電流、轉(zhuǎn)矩和速度曲線的走勢能夠滿足驅(qū)動力和速度變化的要求；膠帶輸送機出現(xiàn)緊急制動、正常停車情況下，驅(qū)動系統(tǒng)完全滿足輸出轉(zhuǎn)矩變化的要求，并可進行自動平穩(wěn)調(diào)整，性能安全可靠，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求；實際速度能夠根據(jù)變頻器的加速度緩慢上升或下降，直至速度達到給定轉(zhuǎn)速，力矩根據(jù)加速度可靠變化，曲線走向穩(wěn)定、可靠，滿足膠帶輸送機運行需求。

5 結(jié) 語

以礦井膠帶輸送機為研究對象，對原膠帶輸送機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化并完成如下工作。

(1) 設計由ABB ACS-1000變頻器組成的膠帶輸送機主控變頻控制系統(tǒng)，由機頭、機尾電動機共同變頻驅(qū)動膠帶輸送機運行。

(2) 以CPU315-2 DP西門子S7-300控制器為核心，設計膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)硬件設計。

(3) 設計膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)PLC控制軟件程序以及集控軟件程序。

(4) 完成膠帶輸送機自動化控制系統(tǒng)應用試驗分析，結(jié)果表明該方案能夠保證膠帶輸送機穩(wěn)定、高效、連續(xù)、安全運行。