西門(mén)子PLC 與變頻技術(shù)在煤礦皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

吳曉霞

（山西工程職業(yè)學(xué)院， 山西 太原 030032）

引言

皮帶輸送機(jī)是煤礦開(kāi)采的重要生產(chǎn)設(shè)備，與推送小車(chē)相比，皮帶輸送機(jī)不需要進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。皮帶輸送機(jī)利用輸入電流驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)皮帶輸送機(jī)的軸承產(chǎn)生帶動(dòng)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)皮帶圍繞軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將原煤運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫斔湍芰?qiáng)，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)。在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，根據(jù)原煤生產(chǎn)情況，可以選擇一臺(tái)皮帶輸送機(jī)或多臺(tái)皮帶輸送機(jī)串聯(lián)運(yùn)輸原煤。

1 智能化監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義

傳統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)利用繼電器觸點(diǎn)之間接觸與分離狀態(tài)控制皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng)、停止和變速，這種方法主要依靠人機(jī)界面的各種按鈕，由工作人員控制按鈕對(duì)應(yīng)的繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)，繼電器與皮帶輸送機(jī)的機(jī)械構(gòu)件間使用電纜連接，電纜將繼電器發(fā)出的控制信息傳輸給相應(yīng)構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng)、停止和變速進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的繼電器控制皮帶輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方法，環(huán)境適應(yīng)能力差，難以做到實(shí)時(shí)調(diào)整皮帶輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，受操控人員人為因素影響，控制精度低，操作人員工作環(huán)境差。隨著二極管變頻技術(shù)和以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的PLC智能監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化控制皮帶輸送機(jī)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。其中，二極管變頻技術(shù)通過(guò)整流設(shè)備和變頻設(shè)備的轉(zhuǎn)換，把煤礦開(kāi)采供電系統(tǒng)提供的50 Hz 恒定頻率的輸入電流，轉(zhuǎn)變?yōu)樵?～50 Hz 內(nèi)頻率可控的交流電，當(dāng)皮帶輸送機(jī)的負(fù)載出現(xiàn)變化或發(fā)動(dòng)機(jī)溫度異常、煙霧濃度過(guò)大、皮帶偏移量過(guò)大的異常情況時(shí)，變頻設(shè)備可以在PLC 智能控制設(shè)備控制下實(shí)時(shí)調(diào)整輸入電流頻率或切斷電流輸入；PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、智能控制等功能為一體，主要由輸入模塊、控制模塊、輸出模塊和監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵步驟是監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)參數(shù)和檢測(cè)參數(shù)預(yù)警值和安全限值的確定。根據(jù)煤礦開(kāi)采的特點(diǎn)，通常將皮帶輸送機(jī)皮帶的偏移量、發(fā)動(dòng)機(jī)的油溫和皮帶輸送機(jī)上的原煤是否產(chǎn)生陰燃釋且釋放出的可測(cè)煙霧濃度大于等于預(yù)先設(shè)定的監(jiān)測(cè)值作為控制皮帶輸送機(jī)是否緊急停機(jī)的監(jiān)測(cè)參數(shù)；當(dāng)皮帶輸送機(jī)的負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)，PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載變化情況及時(shí)調(diào)整供電系統(tǒng)輸入電流的頻率，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的變頻調(diào)速。其作用過(guò)程為：監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)偵測(cè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化，并將監(jiān)測(cè)情況以電信號(hào)形式傳遞給輸入模塊，輸入模塊將接收到的監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳遞到控制模塊中，控制模塊利用編程技術(shù)預(yù)先存入控制皮帶輸送機(jī)緊急停機(jī)和變頻調(diào)速的邏輯判斷語(yǔ)句，輸入模塊輸入的數(shù)字信號(hào)經(jīng)控制模塊邏輯判斷后，從控制模塊中傳遞數(shù)字控制信號(hào)給輸出模塊，輸出模塊將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被識(shí)別的動(dòng)作信號(hào)傳遞給電動(dòng)機(jī)或變頻器，從而控制皮帶輸送機(jī)的變頻調(diào)速或緊急停機(jī)。通過(guò)聯(lián)合西門(mén)子PLC 技術(shù)和變頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的智能化、自動(dòng)化控制，提高設(shè)備的可靠度；可以根據(jù)皮帶輸送機(jī)的負(fù)載變化調(diào)整供電系統(tǒng)的輸入電流頻率，提高皮帶輸送機(jī)效率，為煤礦生產(chǎn)節(jié)約了大量的能源；可以解放傳統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)操控人員，減少了人為因素對(duì)皮帶輸送機(jī)輸煤系統(tǒng)的影響。

2 PLC 技術(shù)和變頻技術(shù)的作用機(jī)理及特點(diǎn)

2.1 PLC 技術(shù)作用機(jī)理

PLC 的作用機(jī)理如下頁(yè)圖1，主要由輸入模塊、控制模塊、輸出模塊和監(jiān)測(cè)設(shè)備組成，根據(jù)模塊內(nèi)I/0 點(diǎn)數(shù)的數(shù)量可以將PLC 控制設(shè)備分為小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)，模塊內(nèi)點(diǎn)數(shù)的多少與監(jiān)測(cè)參數(shù)的多少有關(guān)，對(duì)于皮帶輸送機(jī)的監(jiān)測(cè)行為主要監(jiān)測(cè)它的電動(dòng)機(jī)油溫、皮帶偏移量及原煤陰燃產(chǎn)生的可測(cè)煙霧濃度，需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有限，相應(yīng)的PLC 模塊內(nèi)的I/0 點(diǎn)數(shù)較少，少于256 個(gè)點(diǎn)數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的分類(lèi)方法，煤礦井下皮帶輸送機(jī)的PLC 控制器為小型機(jī)。通過(guò)原煤運(yùn)輸過(guò)程中安裝的監(jiān)測(cè)設(shè)備，將監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給輸入模塊，輸入模塊將接收到的監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳遞給控制模塊中，經(jīng)過(guò)預(yù)先存入控制模塊的邏輯判斷語(yǔ)句，控制模塊把數(shù)字控制信號(hào)傳遞給輸出模塊，經(jīng)過(guò)輸出模塊的轉(zhuǎn)換，將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被識(shí)別的動(dòng)作信號(hào)傳遞給電動(dòng)機(jī)或變頻器。與傳統(tǒng)的繼電器控制方法不同，PLC 智能控制設(shè)備以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的人工識(shí)別過(guò)程利用編程技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅窟壿嬇袛嗾Z(yǔ)句存入控制器中，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的邏輯判斷，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的控制信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整輸入電流的頻率，從而改變皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)啟動(dòng)、變速、急停等運(yùn)行全過(guò)程的智能化、自動(dòng)化控制。根據(jù)皮帶輸送機(jī)的工作特點(diǎn)，通常選取皮帶輸送機(jī)的負(fù)載情況和運(yùn)行狀態(tài)作為調(diào)整皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)參數(shù)，選取皮帶跑偏值、電動(dòng)機(jī)溫度、煙霧作為皮帶輸送機(jī)的急停信號(hào)，當(dāng)皮帶輸送機(jī)負(fù)載增大或降低時(shí)，PLC 監(jiān)控設(shè)備根據(jù)預(yù)先存入的判斷語(yǔ)句輸出相應(yīng)的增大或減少供電網(wǎng)路輸入電流頻率的控制信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸入電流的頻率；當(dāng)PLC 設(shè)備監(jiān)測(cè)到皮帶跑偏值、電動(dòng)機(jī)溫度或煙霧濃度的數(shù)值大于等于控制器中預(yù)先存入的預(yù)警值時(shí)，控制器及時(shí)控制報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)值超過(guò)安全限制時(shí)，控制器立刻輸出切斷供電網(wǎng)絡(luò)電流輸出的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的緊急制動(dòng)。

圖1 西門(mén)子PLC 技術(shù)主要模塊結(jié)構(gòu)

2.2 變頻技術(shù)的作用機(jī)理

變頻技術(shù)的機(jī)理是利用整流設(shè)備和變頻設(shè)備將供電網(wǎng)路提供的恒頻交流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，變頻技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2。變頻設(shè)備的工作過(guò)程是：整流器將供電系統(tǒng)輸入的50 Hz 固定頻率的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娸斎胱冾l設(shè)備，直流電通過(guò)二極管變頻器后變?yōu)轭l率可控的交流電，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動(dòng)皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生帶動(dòng)轉(zhuǎn)速。根據(jù)煤礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)皮帶輸送機(jī)的工況提前選定變頻設(shè)備輸出的交流電的頻率，在西門(mén)子PLC設(shè)備的控制下實(shí)時(shí)調(diào)整供電系統(tǒng)輸出電流的頻率。

圖2 變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

3 西門(mén)子PLC 和變頻技術(shù)在煤礦皮帶輸送機(jī)中的應(yīng)用

3.1 西門(mén)子PLC 設(shè)備的特點(diǎn)

在煤礦井下皮帶輸送機(jī)輸送原煤的現(xiàn)場(chǎng)，選用西門(mén)子S7-1200PLC 系列結(jié)合變頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。與其他PLC 監(jiān)控系統(tǒng)相比，西門(mén)子S7-1200PLC 系列具有很高的防塵、防爆性能，可以很好地適用煤礦開(kāi)采過(guò)程中粉塵濃度高、煤粉易燃易爆的工作環(huán)境，西門(mén)子S7-1200PLC 系列的內(nèi)部零部件不會(huì)被煤粉影響，設(shè)備的抗干擾能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定。

3.2 具體應(yīng)用

某礦-37101 采煤工作面，原煤塊度0～150 mm，散裝密度0.8 t/m3，運(yùn)距200 m，煤礦開(kāi)采過(guò)程中使用GTS-Mobcon 1 200 m×38 m 移動(dòng)式輸送機(jī)運(yùn)輸原煤，皮帶運(yùn)輸機(jī)帶寬1 200 mm，長(zhǎng)度38 m，驅(qū)動(dòng)功率18.5 kW，輸送能力700 t/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)在PLC 控制設(shè)備中，預(yù)先輸入的預(yù)警值和安全限值如表1 所示。控制設(shè)備中的皮帶跑偏值、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫和煙霧濃度判斷語(yǔ)句間適合的邏輯關(guān)系，當(dāng)皮帶跑偏值達(dá)到10，或發(fā)動(dòng)機(jī)油溫達(dá)到80 ℃時(shí)，PLC 控制報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)皮帶跑偏值達(dá)到15、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫達(dá)到100 ℃或原煤燃燒時(shí)釋放的煙霧濃度達(dá)到5%obs/m 時(shí)，PLC 控制供電系統(tǒng)停止電流輸入，皮帶輸送機(jī)緊急制動(dòng)。根據(jù)原煤燃燒時(shí)散發(fā)大量煙霧的物理特性和皮帶輸送機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，選擇點(diǎn)型煙霧探測(cè)器監(jiān)測(cè)原煤運(yùn)輸時(shí)是否產(chǎn)生燃燒。煤礦開(kāi)采的過(guò)程中供電網(wǎng)絡(luò)輸入的是50 Hz固定頻率的交流電，經(jīng)變頻器的作用轉(zhuǎn)變?yōu)?～50 Hz頻率可控交流電，選定14 Hz、26 Hz、38 Hz、50 Hz 作為變頻器的頻率輸出，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速。根據(jù)負(fù)載的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器輸出的電流頻率，當(dāng)皮帶輸送機(jī)的負(fù)載增大或減小時(shí)，變頻器輸出電流的頻率相應(yīng)增大或減小。

表1 控制器中預(yù)先輸入的預(yù)警值和安全限值

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行結(jié)果表明，結(jié)合西門(mén)子PLC 技術(shù)和變頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的智能化、自動(dòng)化控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶輸送機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制?？刂破髦械念A(yù)警值和安全限值設(shè)置合理，可識(shí)別性高，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸原煤時(shí)的特殊情況，并通過(guò)西門(mén)子PLC 監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)；變頻設(shè)備輸出電流的頻率選定合理，能很好地實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的變頻調(diào)速。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，結(jié)合西門(mén)子PLC技術(shù)和變頻技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化及時(shí)控制皮帶輸送機(jī)動(dòng)作[1-3]。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)PLC 技術(shù)和整流技術(shù)進(jìn)行了模塊化分析，結(jié)果表明整流技術(shù)是智能控制的前提，PLC 技術(shù)是智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2）根據(jù)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，選定皮帶跑偏值、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、煙霧濃度的預(yù)警值和安全限值，設(shè)計(jì)了一套變頻監(jiān)控系統(tǒng)。利用變頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)某礦37101 采煤工作面皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)果表明，變頻監(jiān)控系統(tǒng)明顯提高了皮帶運(yùn)輸機(jī)的可靠性和安全性。