選煤廠破碎機變頻自動控制系統(tǒng)設(shè)計

薛 飛

（西山煤電集團有限責(zé)任公司太原選煤廠，山西太原 030023）

0 引言

煤炭作為我國重要的一次能源，其生產(chǎn)與處理的工藝流程受到廣泛關(guān)注。隨著國家提出“綠水青山就是金山銀山”理念后，在環(huán)境保護方面，對煤炭后處理工藝流程的要求也越來越高[1-2]。選煤廠通過機械加工或物理化學(xué)的處理方法消除原煤中含有的有害物質(zhì)，礦井下直接開采出的原煤，由于其部分體積過大，無法直接進行洗選，需要使用破碎機對其進行破碎處理[3-4]。破碎機在運行工作時，所受負(fù)載不均勻，采用傳統(tǒng)的繼電器控制方式，故障較多，尤其在全年無休的工作模式下，無法滿足生產(chǎn)需求[5]。所以本文針對選煤廠設(shè)計了一種破碎機的變頻自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)破碎機的軟起動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

變頻控制系統(tǒng)的總圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)由PLC控制器、變頻器、電機與傳感器等組成，控制器與上位機之間選擇CAN總線的串口通信方式實現(xiàn)信號的傳輸。為了實現(xiàn)變頻器閉環(huán)的速度控制功能，在驅(qū)動電機的輸出軸安裝有速度編碼器對電動機輸出的轉(zhuǎn)速信號進行采集。在對控制系統(tǒng)設(shè)計時，不僅僅要考慮控制的精度要求與速度要求，還要對系統(tǒng)運行時可能發(fā)生的故障進行預(yù)警、報錯及顯示功能，所以在系統(tǒng)的電機、傳動部分與破碎機內(nèi)安裝傳感器，采集系統(tǒng)工作的溫度信號、電壓信號等，PLC控制器設(shè)有人機交互界面，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制與顯示功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 控制方式設(shè)計

本控制系統(tǒng)選用PLC控制器作為系統(tǒng)的核心處理器，PLC可編程控制器主要由CPU模塊、電源模塊、I/O模塊以及通信模塊等組成。PLC控制器在編譯程序時較為簡單，即可使用代碼語言編程也可使用梯形圖編程，工人在實際操作中操作簡單，上手速度快。市場上PLC技術(shù)完全成熟，在工程控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，不論是在編程還是在配套軟件方面都具有完整的技術(shù)支持，并且具有良好的兼容性，通訊接口傳輸信號穩(wěn)定，抗干擾能力強，在復(fù)雜環(huán)境下仍然具有穩(wěn)定的工作能力，減少誤差[6-7]。

系統(tǒng)對破碎機控制的方式選用變頻驅(qū)動速度閉環(huán)控制，系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。首先給系統(tǒng)設(shè)定1個速度值輸入給PLC，控制器通過控制變頻器改變電機的輸入頻率來改變電機的輸出轉(zhuǎn)速，安裝在電機輸出軸的速度傳感器將速度信號傳輸?shù)絇LC控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中速度信號的測量可使用光電編碼器實現(xiàn)。設(shè)置光電編碼器的采樣周期為50 ms，即每50 ms采集脈沖1次，編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出8個脈沖，計算電機轉(zhuǎn)速公式如下。

式中：n為電機的轉(zhuǎn)速，r/min；Δm為單個周期內(nèi)的脈沖數(shù)。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

本系統(tǒng)閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)引入了PID控制器，即比例、積分、微分環(huán)節(jié)。其中比例環(huán)節(jié)控制當(dāng)前，積分環(huán)節(jié)控制過去，用來降低系統(tǒng)由于階躍變化所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，微分環(huán)節(jié)控制將來，計算誤差的一階導(dǎo)，可增加慣性控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并可有效的消除動態(tài)誤差。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC與變頻器選型設(shè)計

本系統(tǒng)PLC控制器選用西門子公司的S7-200型，S7-200型PLC控制器操作簡單，適用于小型自動化控制系統(tǒng)，具有快速的數(shù)據(jù)處理能力；系統(tǒng)連接簡便，組態(tài)處理方便；指令處理速度較快，縮短了系統(tǒng)執(zhí)行命令的循環(huán)時間；最多可增加3個擴展模塊，芯片集成度高，節(jié)省了系統(tǒng)空間；具有功能強大的編程器和編程軟件[8]。S7-200型PLC具有運行和停止2種模式，當(dāng)系統(tǒng)處于運行模式時，控制器執(zhí)行用戶程序來滿足系統(tǒng)的控制要求；當(dāng)處于停止模式時，處理器不執(zhí)行用戶程序，用戶在此模式下設(shè)置系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，并將從編程軟件創(chuàng)建、編輯、編譯好的程序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU處理器當(dāng)中。除了受到控制工作模式的轉(zhuǎn)換以外，系統(tǒng)還可以通過軟件控制的方式調(diào)節(jié)控制器的運行和停止。

在對變頻器選型時，考慮破碎機負(fù)載不均勻，工況惡劣，本文最終選用西門子公司生產(chǎn)的MM440型號變頻器，其適用于高級矢量控制系統(tǒng)，可在負(fù)載突然變化的情況下保證高驅(qū)動性能。MM440變頻器具有快速的輸入響應(yīng)，內(nèi)部帶有制動斬波器，在制動時保障設(shè)備安全穩(wěn)定停止工作。PLC控制器與變頻器之間的接線圖如圖3所示。

圖3 PLC與變頻器接線圖

西門子S7-200型PLC控制器與MM440變頻器之間采用USS通訊協(xié)議。用戶可調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的通信，其編程簡單、工作量小、費用低，減少了設(shè)備之間的布線，并且對硬件設(shè)備要求不高，可實現(xiàn)PLC控制器對變頻器的連續(xù)控制與監(jiān)測。

2.2 通信模塊設(shè)計

調(diào)度室內(nèi)的破碎機自動控制平臺與PLC控制器之間采用CAN通信的方式實現(xiàn)信號的傳輸。CAN總線由得過BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)，也是目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種多主總線，可采用雙絞線、同軸電纜等作為通信介質(zhì)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其最大傳輸速度可達1MB/s。

本文設(shè)計的CAN總線接口電路如圖4所示，采用了德國儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230收發(fā)器，由3.3V電壓源進行供電，其適用于具有良好抗干擾能力，較高通信速率的CAN總線通信方式。SN65HVD230收發(fā)器在不同傳輸速率下，都能保障信號的穩(wěn)定性于精確性；具有低電流模式，可降低系統(tǒng)運行時的功耗；具有抗瞬間干擾，保護系統(tǒng)的能力，具有過熱保護等功能。

圖4 CAN總線接口電路設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)的主程序采用子程序方式，通過梯形圖進行編制，PLC控制器通過調(diào)用各個子程序發(fā)送命令實現(xiàn)對變頻器的控制。由上文知PLC與變頻器之間采用USS通訊協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)中斷程序運行后，子程序?qū)⒃O(shè)定的速度值與命令參數(shù)等轉(zhuǎn)換為USS格式，設(shè)置發(fā)送標(biāo)志位，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冾l器。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示，其由初始化模塊，故障監(jiān)測模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，通訊模塊與邏輯控制等組成，其中系統(tǒng)的通訊模塊為CAN總線的通信方式，數(shù)據(jù)采集模塊包括電機轉(zhuǎn)速信號的采集和電機電壓、溫度等信號的采集，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制與監(jiān)測保護功能。在邏輯控制模塊即為啟動變頻器到變頻器停止階段，當(dāng)達到啟動電機的條件時，啟動變頻器進而驅(qū)動電機達到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

圖5 系統(tǒng)主程序的流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于PLC的破碎機變頻控制系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的繼電器控制方式，系統(tǒng)通過在電機輸出軸安裝編碼器的方式檢測電機的轉(zhuǎn)速，通過引入PID控制器調(diào)節(jié)優(yōu)化了動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)系統(tǒng)變頻驅(qū)動的閉環(huán)調(diào)速控制，PLC控制器與變頻器之間采用USS協(xié)議進行通訊，控制器與上位機采用CAN總線的通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力?？刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用將會降低設(shè)備工作時的消耗，實現(xiàn)破碎機的軟起動，減少設(shè)備在受到?jīng)_擊時所造成的損壞，降低了故障發(fā)生率，提高了破碎機的穩(wěn)定性與可靠性。