基于PLC及變頻器技術的帶式輸送機控制分析

高 昆

（國家能源集團準能集團公司選煤廠原煤車間，內蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

隨著煤炭開采業(yè)務的不斷增加以及開采難度的不斷加大，很多礦山開采時間相對較為久遠，帶式輸送機的耗能越來越大，在運行過程中很容易出現(xiàn)故障，甚至引發(fā)安全事故。為此，要采取必要措施，降低帶式輸送機運行過程中的能耗，提高系統(tǒng)運行效率，降低經(jīng)濟損失。通過將PLC 控制技術和變頻器技術應用到帶式輸送機控制系統(tǒng)，可以大大提升帶式輸送機的運行效率和質量，達到節(jié)約能耗，降低成本的目的。

1 控制系統(tǒng)分析

1.1 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)是由微型計算機控制，利用傳統(tǒng)繼電器控制技術進行集成整合之后發(fā)展出來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)。該種控制技術的基本原理是以自動化程序控制為基礎，各種電氣回路作為輔助調節(jié)實現(xiàn)功能，包括邏輯判斷、邏輯計算、定時控制、記憶控制和算術運算等。應用該項技術能夠對開關量和模擬量進行有效控制，可靠性高、控制規(guī)模較大，從幾十個控制點到上萬個控制點。PLC 控制技術能夠完成各種工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場控制要求，具有耐高溫、耐高濕、耐沖撞和耐腐蝕的特點，能夠在惡劣環(huán)境中正常運行。PLC 控制技術在流水線生產(chǎn)領域有著廣泛應用。該系統(tǒng)中配置了若干個輸入輸出接點，節(jié)點的性質屬于數(shù)字邏輯節(jié)點，這就確保了PLC 控制系統(tǒng)擁有可靠的開關性能，能夠減少各種復雜的外部接線。PLC 控制系統(tǒng)由于采用邏輯儲存模式，整個系統(tǒng)的控制程序全部儲存在儲存器，系統(tǒng)具有良好的適應性和靈活性，可以依托該系統(tǒng)進行有效拓展。對工藝過程和工藝方式改進過程中，只需改動儲存器中的程序即可。在傳統(tǒng)控制模式下，修改工藝需要調整硬件設施各連接線，往往需要配置較多的人力物力，工作難度較大，很容易出現(xiàn)問題。PLC 控制系統(tǒng)由CPU、ROM 和輸入輸出電路組成，它能夠實現(xiàn)輸入輸出電路之間的邏輯轉換，然后進入輸入端經(jīng)過CPU 處理后，進行邏輯轉換，最后輸出信號。PLC 控制系統(tǒng)實質是中間轉化器，它能夠實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息的邏輯轉換。在煤炭企業(yè)生產(chǎn)過程中，工作現(xiàn)場范圍較大，操作過于分散，各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要集中在中央計算機中進行集中處理和管理。在PLC 控制系統(tǒng)中，通過采用串行通信模塊對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，能夠實現(xiàn)信號傳輸過程中的電磁干擾防護，保證信號質量。

1.2 變頻器驅動系統(tǒng)

變頻器驅動主要是通過改變電機的電源頻率，進一步控制電機的輸出轉速，通過調控不同的轉速，更好滿足轉距要求，實現(xiàn)智能調速、低速軟啟等功能。現(xiàn)階段很多煤炭企業(yè)使用的變頻器技術主要是矢量控制技術，該項技術能夠更好地調控電機運行和負載，確保電機的負載能力，調速能力達到最優(yōu)狀態(tài)。同時還能夠實現(xiàn)電機柔性復雜的軟停車和軟啟動，確保各驅動設備之間的速度配比更加完善、更加科學。將變頻器技術應用到帶式輸送機控制體系中，可以確保整個運輸體系運轉的穩(wěn)定性，延長設備使用壽命，降低能耗。近年，隨著以微電子為代表的電子技術不斷發(fā)展，變頻器技術在應用過程中的成本呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，大大提升了變頻控制的性能，各項功能逐步提升。

2 基于PLC及變頻器技術的帶式輸送機控制系統(tǒng)

2.1 帶式輸送機系統(tǒng)

帶式輸送機系統(tǒng)是煤炭企業(yè)運行過程中的重要運輸系統(tǒng)，它是整個企業(yè)煤炭運輸不可缺少的重要設備。隨著煤炭生產(chǎn)不斷向前發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，單純依靠輸送機自身的品質和質量以及優(yōu)良的性能，遠遠達不到提高生產(chǎn)效率的要求，這就需要對現(xiàn)有帶式輸送機進行有效完善。將PLC 控制技術和變頻器控制技術應用其中，能夠更好地監(jiān)控整個帶式輸送系統(tǒng)的運轉，實現(xiàn)對帶式輸送系統(tǒng)的集中和安全控制。帶式輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)具有監(jiān)控管理的功能，它能夠實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行情況，防止帶式輸送機在運行過程中出現(xiàn)繼電器觸點損壞，造成電機停止運轉的情況。在煤炭生產(chǎn)過程中，輸送機所處環(huán)境十分惡劣，長時間運行過程中很容易出現(xiàn)聯(lián)軸器斷裂、高負荷運轉的安全事故。在輸送系統(tǒng)中配置工業(yè)集成計算機，可以實時監(jiān)測輸送系統(tǒng)的運行情況，對輸送機運行進行有效控制，真正達到低能耗、易維護、操作簡便和運行可靠的要求，可以實時采集和控制工作現(xiàn)場的各種信息數(shù)據(jù)，及時掌握帶式輸送機的運行狀態(tài)。

2.2 帶式輸送機系統(tǒng)配置要求

煤炭企業(yè)對帶式輸送系統(tǒng)的長度、運量和運轉速度穩(wěn)定性有著嚴格要求，這對驅動裝置的優(yōu)良性能提出更高要求。一旦驅動裝置出現(xiàn)問題或者運轉性能較差，無法滿足運轉量、運轉速度和功率平衡的要求，很容易造成輸送系統(tǒng)出現(xiàn)斷裂、過載的問題。為滿足煤炭生產(chǎn)的實際要求，需要從以下方面入手：在整個驅動系統(tǒng)啟動運轉過程中要滿足曲線要求，對啟動時間做出動態(tài)化調節(jié)，并且要滿足滿負荷啟動要求。啟動速度可以做出動態(tài)化調整，減少對輸送帶的損傷。啟動過程中應該盡量保持平穩(wěn)，減少沖擊力度，避免對各部件造成損害。啟動階段和運輸階段都應該有過載保護，多臺驅動時一定要認真計算功率，做好平衡。另外，在整個系統(tǒng)中需要配置完善的控制器，以便對帶式輸送系統(tǒng)進行集中控制。

2.3 帶式輸送控制系統(tǒng)

結合帶式輸送機系統(tǒng)的配置要求，整個控制系統(tǒng)包含驅動系統(tǒng)控制和保護系統(tǒng)控制兩個方面。

2.3.1 驅動系統(tǒng)控制

在現(xiàn)階段的煤炭生產(chǎn)過程中，長距離大功率輸送系統(tǒng)采用的驅動方式主要包括CST 可控啟動傳輸控制系統(tǒng)、籠型電機加載調速液力偶合器配合減速器驅動系統(tǒng)、籠型電機加載調速液力耦合器配合減速器驅動系統(tǒng)、變頻器配合變頻電機減速器驅動系統(tǒng)。上述4 種驅動系統(tǒng)各有優(yōu)勢，第一種驅動系統(tǒng)的優(yōu)勢是啟動相對較為平穩(wěn)，整體傳動效率較高，保護功能全面，范圍較廣。但是設備體積相對較大，安裝不方便，制動器在配置過程中存在很大難度，設備故障后，往往需要投入較高的人力和資金成本。第二種驅動系統(tǒng)的優(yōu)點是電機啟動時間相對較短，系統(tǒng)的功率平衡率較高。由于在整個系統(tǒng)中應用扭矩，可以有效緩解沖擊造成的動力過載，并且系統(tǒng)結構相對較為簡單，對環(huán)境要求較低，使用壽命較長。由于這種控制系統(tǒng)不是專門為輸送機配置的專一系統(tǒng)，運行過程中控制精確度相對較差。第三種控制系統(tǒng)在傳動性、傳熱性、控制性、使用性能方面都具備很好的工業(yè)性，能達到煤炭生產(chǎn)相關要求。第四種控制系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠保持驅動之間的功率平衡，空轉和復雜運行過程中，都能夠有效控制軟啟停。

2.3.2 保護系統(tǒng)

煤炭生產(chǎn)過程中，由于輸送機長期處于惡劣環(huán)境，工作強度較大，長時間運行很容易出現(xiàn)多種問題。因此為確保整個輸送系統(tǒng)的安全性，需要加裝保護裝置。通過在整個傳輸系統(tǒng)中安裝溫度、防撕裂、打滑和跑偏等傳感器，動態(tài)化監(jiān)測帶式輸送機的整體運行情況，及時發(fā)現(xiàn)故障及時報警。在出現(xiàn)重大事故之前，立即停運設備，防止事故擴大，造成嚴重傷亡。帶式輸送機在運轉過程中在驅動部分加裝灑水管，配置溫度保護傳感器，利用灑水降溫的方式進行超溫控制和防塵處理，避免溫度升高和塵土飛揚，影響帶式輸送機正常運轉。通過將傳感器和煙霧報警器有效結合，能夠在輸送帶出現(xiàn)燃燒情況時及時發(fā)出報警，然后噴水滅火。另外，這種模式還能夠有效處理運輸機因異常運轉造成的溫度升高問題。溫度傳感器的探頭通常由鉛錫等金屬組成，探頭高度略高于輸送帶。一旦輸送帶的溫度升高探頭融化，此時水管噴水降溫，防止輸送帶溫度過高出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。帶式輸送機在運轉過程中，由于受到異物、尖銳凸起物的擠壓或者刺入造成輸送帶撕裂，應該立即將機械停止。避免輸送帶的撕裂面積過大，影響煤炭正常運輸，帶來更為嚴重的經(jīng)濟損失。輸送帶斷裂保護過程中經(jīng)常選擇使用監(jiān)測保護，在輸送帶中預埋交替線圈，有效采集斷帶信號。在輸送帶的上下方設置磁場探頭，檢測輸送帶磁場的變化。一旦輸送帶出現(xiàn)斷裂，探頭就能夠檢測到斷裂位置的磁場變化，發(fā)出信號，并將信號回傳到PLC 系統(tǒng)發(fā)出警報。因此，通過在輸送帶上加裝速度傳感器。一旦輸送帶速度下降到相應標準后，傳感器就會發(fā)出下限警報，此時輸送帶會停止運轉，相應技術人員要及時檢修。輸送帶運輸?shù)拿禾慨a(chǎn)品中會夾雜大量雜質。這些雜質會堵塞輸送機的溜槽，造成輸送帶向前運轉受到影響，甚至會造成輸送帶的斷裂。通過在機械設備頭部加裝堵料開關，一旦出現(xiàn)堵塞或者滯留情況，探針能夠將相應的信號傳輸給PLC 控制系統(tǒng)，通過光信號報警，及時采取措施進行處理。

3 PLC 控制系統(tǒng)和變頻技術在帶式輸送機控制中的具體應用

PLC 控制系統(tǒng)和變頻技術在帶式輸送機中的具體應用，應該結合實際情況和實際參數(shù)，保證應用流程的完整性，確保兩種技術能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢，更好地控制輸送機的正常運轉。在應用過程中主要包括操作平臺和故障處理。

3.1 操作臺

帶式輸送機在實際運轉過程中要通過操作平臺對輸送機控制系統(tǒng)進行相關操作，以確保整個操作的穩(wěn)定性。操作平臺的操作選擇主要劃分為5 個擋位，具體操作流程如下：

（1）閉鎖擋位。該擋位模式下，控制柜中的PLC 控制系統(tǒng)模塊處于停止運轉狀態(tài)，能夠對控制系統(tǒng)操作電源和系統(tǒng)進行隔離操作，保證各控制系統(tǒng)單元之間的獨立性。

（2）就地擋位。這個擋位主要是司機在操作臺上對設備進行自主控制，它能夠在很大程度上確保設備處于啟停操作環(huán)節(jié)。使用過程中，操作人員只需要對相關模塊進行預處理，選擇相應擋位，就能夠對設備進行有效控制。在這個擋位接入到輸送機中的所有保護功能都能夠處于有效保護狀態(tài)。帶式輸送機的運轉會按照PLC 控制系統(tǒng)的運轉流程和相關指令完成操作，滿足煤炭生產(chǎn)需求。

（3）檢修擋位。當開關處于檢修擋位時，輸送機會處于停止操作的狀態(tài)。由于整個設備切除了外來故障保護的功能，僅僅保留拉線開關。開關處于這個擋位主要是因為帶式輸送機運轉出現(xiàn)故障，或者可能出現(xiàn)故障，需要停機檢查。在檢修過程中，尤其應該注重傳感器的保護和異常情況檢查，嚴格檢修整個控制系統(tǒng)，對故障做出綜合處理，保證帶式輸送機能夠正常運轉。

（4）集控擋位。當開關處于集控擋位時，要求機械設備按照一定的輸送流程。一般按照煤流原則，依據(jù)前后級帶式輸送機的啟動和停止，實現(xiàn)逆煤流啟車、順煤流停車，此時操作臺的啟停按鈕無效，急停按鈕有效。

（5）單動擋位。當開關處于單動擋位時，打滑保護被切除，其他保護項目依然正常運行。在整個帶式輸送機運轉過程中，只需要借助操作臺對外設啟動按鈕進行處理，就能夠保證整體處理效果?？傊斦麄€系統(tǒng)的保護管理機制建立完成后，需要利用該處理系統(tǒng)進行有效調試，確保能夠在規(guī)定環(huán)境中完成單獨操作，確保調試的有效性。

3.2 變頻啟動裝置故障處理

PLC 系統(tǒng)故障主要包括變頻器故障、過載、繼電器故障、變頻器故障和PLC 系統(tǒng)故障等。變頻器的典型故障是缺相，主要表現(xiàn)為電流顯著增大，電機發(fā)熱明顯，電機運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。故障原因是斷路器引發(fā)故障后，變頻器出現(xiàn)輸入缺相現(xiàn)象。應該及時更換熔斷器、斷路器和接觸器，做好接觸器的檢查工作。壓力傳感器在運行過程中，由于長期受到壓力影響，會造成壓敏電阻疲勞損壞，運行期間需要對壓力傳感器進行定期維護更換。變頻器的諧波治理裝置有一定壽命，需要定期更換?？刂瓢粹o常見的故障主要是按鈕觸點氧化、絕緣故障、轉換開關運行故障、急停按鈕出現(xiàn)故障。這些故障主要原因是內部機構不靈活、不能夠正常復位，要盡量選擇質量過硬的產(chǎn)品。

4 結語

在煤炭開采/煤炭運輸過程中，帶式輸送機具有運載量大、遠距離運輸、結構簡單、操作方便和維修簡單等優(yōu)點，在煤礦、鋼鐵、水泥、港口、船舶等領域有著廣泛應用。隨著社會發(fā)展，一大批先進科學技術的應用，生產(chǎn)規(guī)模的擴大，對帶式輸送機的運行功能提出了更高要求。通過在帶式輸送機中應用PLC 控制技術和變頻器技術，能夠進一步簡化帶式輸送機的控制程序，切實提升整個系統(tǒng)運行效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來更多經(jīng)濟利益。