帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭佳斌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

礦用帶式運(yùn)輸機(jī)是礦井生產(chǎn)的核心設(shè)備，為了保證其工作效率，必須確保其傳送皮帶處于較平穩(wěn)的工作狀態(tài)。皮帶輸送機(jī)在起停瞬間會(huì)受到較大的外界載荷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)不但會(huì)引起其自身零件的磨損，而且會(huì)引起滾筒的運(yùn)動(dòng)，從而引起張緊力的波動(dòng)和不穩(wěn)定。當(dāng)張緊力過(guò)小時(shí)，會(huì)造成皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)中的打滑、跑偏，當(dāng)張緊力過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致皮帶斷裂、卡住。因此，保證張緊力的穩(wěn)定性，是保證礦用帶式運(yùn)輸機(jī)穩(wěn)定工作的重要條件。利用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)張緊力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，能夠顯著地提升工作效率。因此，本文針對(duì)DSJ-800礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)的特點(diǎn)，在PLC的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一種基于PLC 技術(shù)的自動(dòng)張力控制系統(tǒng)的研制，并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是可靠和穩(wěn)定的。

1 常見(jiàn)張緊系統(tǒng)分析

礦山皮帶輸送機(jī)常用的張緊裝置有重力式、固定式和自動(dòng)控制式。本文將分別介紹三種不同的張緊方式，并比較其優(yōu)點(diǎn)和不足。

1.1 重力式張緊系統(tǒng)

重力張緊設(shè)備是指在重力的作用下，采用動(dòng)/靜滑動(dòng)的原理將重型錘子用鋼絲繩系在輸送皮帶的一頭，由其本身的重力帶動(dòng)張緊車的運(yùn)動(dòng)。在重力式張緊系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，皮帶始終保持張力，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)或停機(jī)時(shí)，能確保皮帶始終保持張力恒定，同時(shí)也能確保皮帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生變形而發(fā)生的塑性伸長(zhǎng)。重力式張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)和后期維修費(fèi)用都比較低。然而，這樣需要保證膠帶一直處于最大的張力，而長(zhǎng)期的工作則大大減少了皮帶的使用年限。但是這種方法使皮帶始終處在最大張力狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)大大縮短皮帶的壽命。

1.2 固定式張緊方式

固定張緊方法是以螺旋式的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒的固定，以確保皮帶在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的間距不會(huì)發(fā)生相對(duì)改變。當(dāng)皮帶的松緊度需要改變時(shí)，首先斷開(kāi)帶式輸送機(jī)的電源，然后采用人工調(diào)節(jié)的方式調(diào)整皮帶的松緊度，使得皮帶的松緊度達(dá)到適合的狀態(tài)。在人工對(duì)松緊度進(jìn)調(diào)整時(shí)，調(diào)整螺旋桿在導(dǎo)軌上前后運(yùn)動(dòng)可調(diào)整滾筒的彈性。但是這種調(diào)整方法會(huì)造成很大的沖擊力，所以應(yīng)著重調(diào)整滾筒上的固定螺栓，確保其工作壽命。

1.3 自動(dòng)張緊方式

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了自動(dòng)張緊裝置的應(yīng)用。自動(dòng)張緊裝置由傳感器、執(zhí)行器、減速器、控制系統(tǒng)等模塊組成，圖1 對(duì)該系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行介紹。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在皮帶上設(shè)置了一個(gè)張力傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的張力，而張力調(diào)整裝置則主要是利用液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整皮帶的張緊力，并能很好地補(bǔ)償由于膠帶的塑性變形引起的長(zhǎng)度改變。這種調(diào)節(jié)方法的自動(dòng)化程度較高，同時(shí)也具有良好的可操作性，可以在不需要人為干預(yù)的工作情況下改善皮帶的張緊效果，使其控制的穩(wěn)定性和精確度都比較高。為此，本論文將著重于該自動(dòng)拉緊裝置的設(shè)計(jì)與研究[1]。

圖1 自動(dòng)式張緊系統(tǒng)工作原理

2 自動(dòng)張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

皮帶輸送機(jī)的張緊裝置主要由皮帶、張緊滾筒和張緊小車、控制器、張力產(chǎn)生設(shè)備、調(diào)速滾筒等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。皮帶是直接纏繞在張緊滾筒上，由兩個(gè)部件的相對(duì)摩擦驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶的傳輸效率和張緊力的大小是由滾筒的慣性和摩擦系數(shù)直接決定的。張緊力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)是一種能帶動(dòng)張緊小車向前和向后移動(dòng)的液壓油缸，由于滾筒與張緊小車相連，因此滾筒會(huì)保持與張緊小車同步運(yùn)動(dòng)，這樣可以隨意調(diào)整帶的張緊力，由于張緊小車自身存在慣性和摩擦力，一定程度上會(huì)對(duì)張緊力產(chǎn)生影響。PLC是張緊力控制的核心模塊，它的高精度和合理的判斷邏輯將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作產(chǎn)生重要的影響。

圖2 自動(dòng)張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)原理

本文研究的自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)包括張力傳感器、張力顯示表、PLC控制器、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、行程開(kāi)關(guān)等部件，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：在整個(gè)控制期間，由控制裝置向傳送帶的起停點(diǎn)發(fā)出控制訊號(hào)，由張力傳感裝置對(duì)皮帶進(jìn)行張力值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)傳送裝置將探測(cè)到的訊號(hào)轉(zhuǎn)化為電子訊號(hào)傳送至PLC 控制器；PLC 根據(jù)設(shè)定張力值與接收到的信號(hào)進(jìn)行比較，并根據(jù)所設(shè)定的張力進(jìn)行邏輯判定，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的張緊起動(dòng)指令，從而完成張緊電機(jī)的前后轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制；電機(jī)根據(jù)接收到的控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力的調(diào)節(jié)，并通過(guò)減速裝置后帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，使所述張緊小車向前或向后運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整皮帶的張緊力；當(dāng)張緊力調(diào)整完成后，張緊電機(jī)由內(nèi)部抱鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉合，以確保調(diào)整后的皮帶始終保持一定的拉伸狀態(tài)和保持一定的張力[2]。

圖3 自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC選型設(shè)計(jì)

在對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行充分功能需求分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，本文最終采用ControlLogix 系列的PLC控制器。該控制器功能完善，包含通訊模塊、輸入輸出模塊、軟件編程模塊等多個(gè)模塊，采用RS485通訊方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的通信，包括對(duì)限位、應(yīng)答等信號(hào)的收集傳輸，以及對(duì)張緊電機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、主控電機(jī)等電器設(shè)備的驅(qū)動(dòng)指令。本PLC控制器具有478KB的CPU 邏輯存儲(chǔ)器，85～250V 的控制供電，最高輸入功率超過(guò)110W，能夠滿足多種控制要求。同時(shí)，采用AC220V 的數(shù)字式輸出電路，并設(shè)有8 個(gè)輸入信道，可對(duì)整套控制系統(tǒng)中的信號(hào)進(jìn)行相互隔離和點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)，其中，張緊電機(jī)制動(dòng)響應(yīng)信道編號(hào)DIO302.0，電機(jī)正反向響應(yīng)信道編號(hào)DIO302.2，系統(tǒng)故障重置響應(yīng)信道編號(hào)DIO302.6。

3.2.2 張力采樣分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張力采樣分系統(tǒng)是整個(gè)控制裝置的關(guān)鍵部分，該系統(tǒng)包括三個(gè)部分：分別是張力信號(hào)的采集、傳輸、顯示。傳感器用于采集張力信號(hào)，采集到的張力信號(hào)由輸出信號(hào)線將信號(hào)傳遞至BMSP-120變送器，輸出信號(hào)線由四芯屏蔽導(dǎo)線構(gòu)成，BMSP-120變送器收到張緊力信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，最大可放大6倍，將其轉(zhuǎn)換為5～20mA的電信號(hào)，然后由PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯判定，最終將計(jì)算得到的結(jié)果上傳至上位機(jī)，然后在顯示裝置上實(shí)時(shí)顯示張力大小，便于工作人員掌握輸送機(jī)工作狀態(tài)。本文采用的張力傳感器為PR6201，在額定工作狀態(tài)下，電壓為24V，最大負(fù)載比為150%，輸入信號(hào)為0.6～3.0mV 電壓信號(hào),輸出電流為5～20mA。該顯示儀表采用195型直流電流顯示器，能實(shí)時(shí)地顯示各種張力信號(hào)，并可進(jìn)行顯示范圍的調(diào)節(jié)[3]。圖4顯示了張力采樣電路的構(gòu)造。

圖4 張力采樣電路結(jié)構(gòu)

3.3 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

該輸送機(jī)的傳動(dòng)部分采用模塊化的程序設(shè)計(jì)，傳動(dòng)模組選用了單相電動(dòng)機(jī)，并對(duì)其封裝后的各部件進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。傳送器的驅(qū)動(dòng)采用了模塊化的編程，以單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為傳送器的驅(qū)動(dòng)模組，并將其封裝后的組件進(jìn)行了詳細(xì)的描述。圖5為封裝后的模塊組件示意圖，在此組件中，含有各種標(biāo)志信號(hào)，并由各個(gè)組件信號(hào)的互相協(xié)作和信號(hào)的接收來(lái)完成皮帶輸送機(jī)的張緊力信號(hào)采集、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的變換和傳輸。在該系統(tǒng)中，通過(guò)SS速開(kāi)的信號(hào)可以獲取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在接收到的電動(dòng)機(jī)的信號(hào)比較小時(shí)，則系統(tǒng)采取必要的保護(hù)措施，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；RN-Time為響應(yīng)回復(fù)時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)在超過(guò)設(shè)置的閾值時(shí)間仍沒(méi)有完成啟動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖5 單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

4 自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)運(yùn)行效果

在DSJ-800 礦山帶式輸送機(jī)進(jìn)行自動(dòng)拉緊控制系統(tǒng)的應(yīng)用，測(cè)試了啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)等各種工況下的皮帶拉緊性能，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置的張緊力比較穩(wěn)定，且在設(shè)備工況變化和載荷變化的過(guò)程中，皮帶都沒(méi)有出現(xiàn)打滑和跑偏，張緊小車在工作過(guò)程中狀態(tài)平穩(wěn)，表明了該控制系統(tǒng)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)還可以通過(guò)顯示界面來(lái)對(duì)皮帶輸送狀況進(jìn)行全天候的監(jiān)控，并且可以實(shí)現(xiàn)高精度的顯示，可遠(yuǎn)程對(duì)皮帶的張緊度進(jìn)行自動(dòng)控制。

5 結(jié)語(yǔ)

基于當(dāng)前常見(jiàn)的張緊裝置，本文從總體上分析了皮帶輸送機(jī)的張緊裝置和控制系統(tǒng)，并從軟件和硬件兩個(gè)角度入手，對(duì)張緊系統(tǒng)進(jìn)行了整體優(yōu)化，使得系統(tǒng)的整體性能得到較大的提升。經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，本系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)張緊度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了皮帶的張緊力相對(duì)平穩(wěn)，運(yùn)行中無(wú)打滑、跑偏等現(xiàn)象，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性。這對(duì)于提高皮帶輸送機(jī)的安全和自動(dòng)化水平，延長(zhǎng)皮帶的使用壽命起著十分重要的作用。