基于PLC的礦用帶式輸送機電控系統(tǒng)設(shè)計

丁鵬飛

（中煤科工集團上海有限公司，上海 200030）

礦用帶式輸送機是煤炭開采過程中重要的運輸設(shè)備，主要由傳動滾筒、驅(qū)動滾筒、驅(qū)動裝置、皮帶、機架等組成[1]，具有結(jié)構(gòu)簡單、運量大、運輸效率高等優(yōu)點。但在實際工作中，隨著運輸煤料和矸石的變化，輸送機經(jīng)常在滿載和空載之間相互轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的帶式輸送機不能靈活地改變輸送帶的轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致電能的大量消耗[2]。本文針對某煤礦帶式輸送機在運行過程中出現(xiàn)的滿空載現(xiàn)象，以及張緊力不足、跑偏、打滑等故障引起的電能消耗過大、皮帶故障等問題，對礦用帶式輸送機電控系統(tǒng)進行設(shè)計研究。設(shè)計相關(guān)電氣系統(tǒng)，包括電機的速度調(diào)節(jié)、皮帶的軟啟動、皮帶的各項保護的實時監(jiān)控等，實現(xiàn)電能的節(jié)省和皮帶的穩(wěn)定連續(xù)運行[3-4]。

1 電氣系統(tǒng)的整體設(shè)計

礦用帶式輸送機的電氣設(shè)計是要在符合煤礦安全標(biāo)準的情況下最大限度地實現(xiàn)煤礦的自動化。在本設(shè)計中通過中央處理器完成對變頻器的啟動，實現(xiàn)對皮帶的軟啟動，并連接多種傳感器，實現(xiàn)皮帶機快速安全地啟動。

本次設(shè)計的電控系統(tǒng)的核心處理單元主要是西門子PLC-1200，其中主站PLC控制器負責(zé)完成皮帶的軟啟動，通過連接堆煤、煙霧等傳感器實現(xiàn)對皮帶的運行保護。皮帶中部設(shè)置的從站PLC與主站通過光纖連接，輔助完成對整機的保護控制。主站PLC還配有組態(tài)顯示系統(tǒng)，實時顯示皮帶的速度、電機溫度、堆煤、跑偏等數(shù)據(jù)?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

圖1 電控流程

2 PLC和變頻器的硬件設(shè)計

2.1 PLC核心處理器的選擇

主控制器選用西門子S7-1200系列的PLC，該PLC具有多路數(shù)字量和模擬量的輸入輸出口，集成有工業(yè)以太網(wǎng)、MPI等多種通信方式，還可以擴展其他輸入輸出模塊和Modbus等通信模塊，具有安全、穩(wěn)定、可靠的輸出，控制功能完備。本電控系統(tǒng)采用的西門子1214PLC具有8路I/O口輸入通道和8路I/O口輸出通道，還可以擴展模塊，本系統(tǒng)中擴展了2個16路I/O口輸入模塊和1個16路I/O口輸出模塊、個485通信模塊[5-7]。

2.2 相關(guān)模塊的選型

鑒于井下相對于地面惡劣的工作環(huán)境，在對皮帶機的配套設(shè)備進行選型時，第一考慮的原則是能夠適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境，且具有穩(wěn)定加防爆的特性。

在皮帶的首尾兩端配備跑偏傳感器，對皮帶的跑偏情況進行預(yù)警。在皮帶的下料口配備了堆煤傳感器，對皮帶下料口的漏煤情況進行檢測。各保護模塊之間與主控制器之間通過控制電纜連接。對于電源模塊，主控制器PLC使用的是24V開關(guān)電源和主控制器一起置于防爆外殼之內(nèi)，對于皮帶的沿線急停保護裝置使用24V的本安電源進行供電。顯示屏模塊使用昆侖同態(tài)的工業(yè)觸摸屏，可對皮帶的主控制器和保護裝置進行在線監(jiān)控，實現(xiàn)人機交互。

2.3 變頻器選型

本次設(shè)計要對皮帶機進行軟啟動控制，并要實現(xiàn)對電機速度的可變控制。故采用變頻電機和變頻器進行控制，選擇佳木斯變頻電機[8-10]，可變頻率為0～50Hz。選用ABB的ACS880變頻器，對變頻電機進行變頻控制，從而實現(xiàn)皮帶機的軟啟動和減速停車功能。相比于不采用變頻器直接啟動電機，采用變頻器啟動電機能做到啟動更加平滑，啟動電壓不會波動太大而損傷電機。同時軟啟動電機緩慢加速到額定速度也是對皮帶附近作業(yè)人員的一種保護。變頻器的主要保護功能包括欠壓保護、過壓保護、瞬間過流、接地故障保護、過載保護、電機過溫保護、信號丟失保護、缺相保護、超頻保護。

2.4 電機選型

本次設(shè)計主要針對煤礦井下的皮帶運行，因此在選擇電機時一要性能穩(wěn)定可靠，二要具有防爆功能。經(jīng)過對比，選用礦用隔爆永磁同步變頻電機，電機的額定功率為800kW，額定轉(zhuǎn)矩為83043N·m，冷卻方式為IC46W水冷，額定電壓為1140V，額定轉(zhuǎn)速為92r/min，調(diào)速范圍為5～92r/min，工作轉(zhuǎn)速為92r/min，啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2倍。電機轉(zhuǎn)子采用N38UH釹鐵硼燒結(jié)永磁體，電機定子還要預(yù)埋三相PT100測溫元件，采用開環(huán)同步矢量控制方式。

2.5 保護系統(tǒng)

對于皮帶機的電控系統(tǒng)，必須設(shè)計保護系統(tǒng)。保護系統(tǒng)可以檢測帶式輸送機頭的堆煤、煙霧、速度、機頭跑偏和溫度等各種保護，以及電機的速度控制、前級閉鎖控制。機頭驅(qū)動滾筒處放置超溫灑水保護裝置，防止?jié)L筒與皮帶摩擦過熱發(fā)生著火事故。機頭到機尾每50m放置1臺拉線急停裝置，如果出現(xiàn)緊急情況，只要拉動鋼絲繩或按下急停按鈕，皮帶機就能立即停止，保證生產(chǎn)安全。機頭到機尾每100m放置1臺智能語音電話，皮帶開啟時會自動預(yù)警，同時也能用于井下工作人員與地面通話[11-14]。在機尾處還安裝有跑偏和縱撕傳感器，對皮帶的跑偏和縱撕進行保護。

3 整機的程序設(shè)計

本系統(tǒng)的程序設(shè)計主要是通過在PLC主控制器中編寫程序?qū)崿F(xiàn)皮帶的啟停動作，并處理皮帶的各種故障保護傳感器的信號，實現(xiàn)對皮帶的故障急停保護。結(jié)合上位機人機界面改變變頻器的頻率對電機實現(xiàn)速度控制，主要控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電控原理

其中對皮帶機的邏輯控制程序基本思想為先啟動輔助電機，如油泵電機、風(fēng)扇電機等。如無法正常啟動控制器，則會收到相應(yīng)的反饋信號，停止皮帶機的啟動，當(dāng)正常啟動輔助電機后，系統(tǒng)會停留幾秒以做保護。然后開始啟動變頻器，啟動電機，所有保護全部投入使用。皮帶機的電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要控制程序如圖4所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖4 設(shè)備主程序

在上位機人機交互界面組態(tài)系統(tǒng)中，設(shè)計相關(guān)界面實現(xiàn)對皮帶機的各種保護進行監(jiān)控，并配置遠程啟動、停止、急停信號對皮帶機進行控制。在主控制器PLC中采集電機溫度、皮帶轉(zhuǎn)速和電機電流。通過對返回數(shù)據(jù)參與控制的方式實現(xiàn)皮帶控制。如果沒有返回數(shù)據(jù)或者返回數(shù)據(jù)錯誤，系統(tǒng)就會報出故障，對皮帶機實現(xiàn)急?？刂?。主控制器還對皮帶沿線的保護數(shù)據(jù)進行采集，傳輸給上位機人機界面。上位機組態(tài)界面不僅要對皮帶機啟停進行控制，還要對皮帶機的各種工作狀態(tài)和保護狀態(tài)進行顯示。對皮帶機的跑偏、縱撕、閉鎖、打滑、超速、煙霧、拉線急停、電機溫度過高和超溫灑水狀態(tài)進行顯示。并對這些故障進行保存記錄，以便對機器進行維修檢查。當(dāng)有故障發(fā)生時，組態(tài)界面還會滾動播報故障原因，方便有關(guān)人員進行處理。

4 結(jié)語

分析礦用帶式輸送機的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)行狀態(tài)下皮帶的保護措施不夠完善，且不能靈活改變帶速滿足節(jié)能化的要求，提出通過變頻電機和變頻器結(jié)合控制的方法，實現(xiàn)對皮帶的軟啟動控制和減速停車，有效降低了能源的浪費和停車撒料的問題。通過人機交互界面實現(xiàn)了對皮帶保護的實時檢測，提高了煤礦運輸?shù)陌踩?，為煤礦高效、節(jié)能、安全運輸?shù)於嗽鷮嵉幕A(chǔ)。