連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計及實踐

張成月

（北京博維航空設(shè)施管理有限公司，北京 101300）

對于連續(xù)皮帶機(jī)電控系統(tǒng)來說，施工單位往往是成套購買國外的設(shè)備，這種外購設(shè)備涉及到的產(chǎn)品升級和售后等存在著較多的不便，從而影響工程施工的正常進(jìn)行，為此，開展連續(xù)皮帶機(jī)的自主研發(fā)對我國的工程發(fā)展具有非常重要的意義。在進(jìn)行連續(xù)皮帶機(jī)的電控設(shè)計過程中，其包含了PLC編程和人機(jī)界面組態(tài)等多種知識保護(hù)內(nèi)容，當(dāng)前對連續(xù)皮帶機(jī)的電控解決方法大部分僅僅停留在結(jié)構(gòu)介紹等方面，這就使得連續(xù)皮帶機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計存在著較多的問題。像王志遠(yuǎn)等對連續(xù)皮帶機(jī)的配套TBM出碴技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一些自身的改善建議；在韓冰的相關(guān)論述中，對斜井隧道的連續(xù)皮帶機(jī)出碴系統(tǒng)選型配置進(jìn)行了簡單的分析等。通過對這些研究內(nèi)容進(jìn)行整理分析，對連續(xù)皮帶機(jī)的原理介紹和研究，結(jié)合實際案例設(shè)計了一套連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過不斷的完善和優(yōu)化，逐漸實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場施工的穩(wěn)定性。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計研究

1.1 項目介紹

本次研究工作是在蒙華鐵路白城隧道方面展開的，該隧道工程全長約3km，其采用連續(xù)皮帶和轉(zhuǎn)載皮帶方式進(jìn)行出碴任務(wù)。對于連續(xù)皮帶機(jī)設(shè)備，其動力系統(tǒng)采用的是2臺200kW的電機(jī)，在機(jī)頭100m位置處安裝了張緊絞車，絞車帶動連續(xù)皮帶機(jī)的正常運行。

1.2 控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計研究

對于控制網(wǎng)絡(luò)，其在整個控制系統(tǒng)中占據(jù)著非常重要的地位，通過控制網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)中各個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，在當(dāng)前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，其主要是通過CAN總線和Modbus總線等方式實現(xiàn)對所有設(shè)備的有效控制。對于不同的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其采用的控制方式存在著一定的差別，這是因為不同的總線控制方式具有各自的特點，像Profibus-DP總線控制系統(tǒng)，其是一套應(yīng)用時間比較長的通信系統(tǒng)，但其通訊速度相對較慢；而Profinet總線采用的是以太網(wǎng)通訊，這種通訊方式傳播速度較快，穩(wěn)定性強(qiáng)，但其研究資料相對較少。本文研究的控制系統(tǒng)采用的是Profibus-DP總線控制模式。圖1為網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖

通過結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，本次研究中采用DP作為主站，其他設(shè)備作為DP站的從站，通過光纖將連續(xù)皮帶機(jī)的配電房引至洞內(nèi)主控制室，從而實現(xiàn)連續(xù)皮帶機(jī)的數(shù)據(jù)交互功能，其他設(shè)備分別承擔(dān)著不同的作用。通過這一控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對皮帶機(jī)的啟動和參數(shù)修改等。

2 PLC編程設(shè)計研究

2.1 CPU選型和IO模塊確定

對于CPU選型，其是當(dāng)前對系統(tǒng)資源進(jìn)行合理配置的關(guān)鍵性內(nèi)容，在進(jìn)行選擇的過程中需要對CPU的各項功能進(jìn)行全面的分析，像系統(tǒng)工程和程序塊數(shù)量限制等，通過這些資料分析選擇最佳的CPU型號，針對本次研究工作，最佳的控制技術(shù)最好在西門子公司技術(shù)支持下開展，選擇合理的型號對應(yīng)本次研究設(shè)計。通過分析，本次選擇CPU型號為CPU315-2PN/DP，這一型號采用的是384KB的RAM等組合接口，其在使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)32個IO模塊的擴(kuò)展應(yīng)用，滿足本次項目設(shè)計需求。對于IO模塊的確定，其需要根據(jù)項目的本身規(guī)劃進(jìn)行總體分析，一般情況下，對于IO模塊的確定，其采用的是DI和DO等類型對其進(jìn)行分配。對于DI模塊，其是數(shù)字量的輸入模塊，這一模塊在選型時需要結(jié)合設(shè)備的輸入點數(shù)以及按鈕之間的距離等進(jìn)行綜合性考量。DO則是數(shù)字量輸出模塊，這一模塊主要是對設(shè)備的外部系統(tǒng)進(jìn)行控制，像電機(jī)和風(fēng)機(jī)等，在進(jìn)行選擇時需要重點關(guān)注被控制系統(tǒng)的電壓等級設(shè)計。另外的AI是模擬量輸入模塊，其在進(jìn)行選擇的過程中不僅需要考慮到傳感器的點數(shù)，同時對信號的類型等也需要進(jìn)行綜合考量。最后的AO是模擬量輸出模塊，這一模塊主要涉及到電壓和電流2種不同的信號，在選擇時需要根據(jù)被控制對象進(jìn)行確認(rèn)和分析。

2.2 PLC程序設(shè)計

對于PLC程序設(shè)計工作，其涉及到了皮帶機(jī)設(shè)備的順序啟停和不同電機(jī)之間的功率平衡等內(nèi)容，由于多電機(jī)之間的功率平衡存在著較為復(fù)雜的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，在設(shè)計的過程中涉及到的內(nèi)容較多，本次研究主要是針對順序啟停程序進(jìn)行PLC設(shè)計工作。對于皮帶機(jī)的啟停功能，其主要包括起車順序：張緊絞車-轉(zhuǎn)載皮帶-連續(xù)皮帶-TBM主機(jī)皮帶-刀盤；然后是停車順序：刀盤-TBM主機(jī)皮帶-連續(xù)皮帶-轉(zhuǎn)載皮帶-張緊絞車。而對于急停程序來說，其在整個系統(tǒng)設(shè)計工作中占據(jù)著非常重要的地位，在設(shè)計的過程中需要對急停的條件和方式進(jìn)行綜合考慮，在急停時需要保證皮帶機(jī)無論在何種狀態(tài)下都能夠接收到急停信號，并在接收到信號之后以最快的速度進(jìn)行急停。

3 皮帶綜合保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計研究

在進(jìn)行皮帶綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計之前，需要了解到這一系統(tǒng)的主要作用，對于皮帶綜合保護(hù)系統(tǒng)，其主要是為了保證高速運行的皮帶持續(xù)穩(wěn)定性的運行。在進(jìn)行設(shè)計的過程中，需要結(jié)合隧道的出碴狀況選擇對應(yīng)的傳感器設(shè)備，通過這一系統(tǒng)能夠保證皮帶機(jī)在急停和跑偏等狀況時處于良好的運行狀態(tài)，防止設(shè)備受到損傷。對于煤礦的皮帶機(jī)，其拉繩傳感器一般情況下需要設(shè)計為40M/個，而對于隧道的皮帶機(jī)拉繩，其在設(shè)計過程中并未對其安裝距離進(jìn)行明確的規(guī)定，在進(jìn)行設(shè)計和安裝時，習(xí)慣性的安裝距離為100m/個，這樣能夠保證皮帶機(jī)運行的安全性，但對于兩個傳感器設(shè)備之間的拉繩，其需要采用托架進(jìn)行拉繩垂度調(diào)整。跑偏傳感器在安裝時往往采用的是成對安裝方法，在皮帶機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾以及轉(zhuǎn)彎位置處分別進(jìn)行傳感器的安裝，而對于堵料傳感器，其安裝位置往往是在落料點的附近。對于這一傳感器的安裝，為了保證其正常使用，需要保證落料不會對傳感器的安全造成影響。為了方便PLC編程工作的正常進(jìn)行，皮帶綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計采用的是西門子IO模塊，這一模塊應(yīng)用能夠保證傳感器安裝的正常使用。拉繩傳感器在接入時采用的是IO模塊，在應(yīng)用時通過IO模塊對傳感器的狀態(tài)進(jìn)行掌握。

4 多電機(jī)功率平衡

對于多電機(jī)的功率平衡系統(tǒng)研究，其在連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)中是核心內(nèi)容之一，通過這一系統(tǒng)設(shè)計能夠決定設(shè)計的成功與否。連續(xù)皮帶機(jī)在使用過程中采用的是2臺型號相同的電機(jī)，在使用過程中需要保證2臺電機(jī)的功率是相同的，這樣才能夠保證皮帶機(jī)的運行穩(wěn)定性和安全性。若在運行過程中兩臺電機(jī)的出力不同，可能會造成其中一臺電機(jī)負(fù)載較大，出現(xiàn)發(fā)熱過重的問題，另外，兩臺電機(jī)之間的距離較近，造成兩臺電機(jī)之間皮帶的拉力較大，造成皮帶撕裂的危險，影響皮帶機(jī)的正常運行。

本研究中，針對皮帶機(jī)之間的功率平衡問題，采用的是主從轉(zhuǎn)矩跟隨模式，這一設(shè)計方法使得電機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下的出力相同，最終通過電流數(shù)據(jù)反映兩臺電機(jī)的運行狀況。在設(shè)計過程中將其中的一臺電機(jī)作為主電機(jī)，其在工作模式下的其他電機(jī)全部為從電機(jī)，通過轉(zhuǎn)矩控制將主電機(jī)的輸出作為從電機(jī)的控制信號，在從電機(jī)轉(zhuǎn)矩超過主電機(jī)時，系統(tǒng)會對從電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，從而保證了兩臺電機(jī)之間運行的穩(wěn)定性。但對于這種控制模式，其可能會造成死區(qū)問題的出現(xiàn)，當(dāng)速度達(dá)到主電機(jī)控制的下限或者上限時，其變頻器往往會保持這一狀態(tài)，從而造成轉(zhuǎn)矩?zé)o法實現(xiàn)統(tǒng)一，可能會出現(xiàn)返回轉(zhuǎn)矩控制模式或者故障模式的出現(xiàn)等。因此，可以通過減小/增大負(fù)靜帶值的方法對其進(jìn)行改善，從而使得主電機(jī)和從電機(jī)之間的運行保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

綜上所述，通過本次研究可以發(fā)現(xiàn)，對于連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計工作，其可以采用長距離連續(xù)皮帶機(jī)運行模式，同時在設(shè)計的過程中結(jié)合多電機(jī)功率平衡原理，對TBM和盾構(gòu)刀盤之間的多電機(jī)進(jìn)行功率平衡，保證電機(jī)運行的穩(wěn)定性。此外，在設(shè)計的過程中還需要對皮帶機(jī)的頭部進(jìn)行集中驅(qū)動，這樣才能夠保證現(xiàn)場施工的安全性。