选煤厂皮带输送机变频调速系统设计

李 强

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿选煤厂，太原 030203）

0 引言

皮带输送机已经有150多年的发展历史，主要由输送带、滚筒、拉紧装置等组成，用于长距离的货物运输[1]。选煤厂对煤炭进行洗选工艺流程操作，皮带输送机作为其中的关键设备，一旦其控制系统故障或者失效，将影响整个选煤厂生产的生产效率，甚至造成重大的安全事故[2-3]。目前大多选煤厂对皮带输送机采用继电器为主的电控系统，这种方式具有线路复杂、可靠性低、控制精度差等缺点，逐渐不能满足煤矿的生产规模与发展需求[4-5]。因此，本文设计了一种基于PLC控制的选煤厂皮带输送机变频调速控制系统，以实现对输送机的高精度控制。

1 总体设计与建模

1.1 皮带输送机模型

皮带输送机以输送带作为牵引机构和载体机构，是一种将货物进行长距离运输的设备。皮带输送机的结构如图1所示，主要由输送带、传动电机、驱动滚筒、压紧装置、托辊等组成。输送带通过缠绕在驱动滚筒、尾部滚筒和托辊上，形成输送工作面，电机通过减速器来减速，从而有足够大的扭矩带动驱动滚筒转动，通过张紧装置设定一定的初拉力使得输送带拉紧，主轴滚筒通过摩擦力驱动输送带运行，进而使得皮带输送机完成运输物料的功能。其中驱动滚筒安装在卸料端以增大牵引力，有助于拖动。

图1 皮带输送机结构图

1.2 系统控制原理与功能

本文采用基于PLC的变频调速系统作为皮带输送机的电控系统，控制系统采用主从结构。主站即处于调度室内的上位机，负责接收从站的信号，显示皮带机的运行参数以供工作人员查看并对其进行故障实时监测。当皮带机运行故障时，系统可以直接检测到故障位置并通过主站直接停止输送机的运行。从站主要有PLC核心控制器、传感器组和其他保护装置负责采集皮带机的运行数据，可实现对皮带机进行直接控制，并对异常运行数据进行报警保护。系统的总体结构如图2所示，其中从站控制器通过RS485总线技术将数据传输到上位机。

图2 系统的总体结构

系统主要实现的功能：（1）动态显示功能。控制系统的人机交互界面可实时显示皮带机的速度、轴温、是否跑偏和堆煤等运行参数和故障信号；（2）连锁功能。采用PLC控制器的优点之一就是可实现系统的连锁、闭锁等控制功能；（3）软启动功能。在重载工况下可实现低加速度平稳启动，节约资源，提高生产效率，对设备有一定的保护作用；（4）故障保护功能。当系统运行时出现打滑、跑偏等故障时，系统可实现皮带机的自动停车，等待维修人员处理。

系统的控制原理如图3所示，采用双闭环控制的方式，通过检测电机输出轴的转速与位置，利用PID控制器调节电机的输入频率，保证电机的输出质量。

图3 系统的控制原理图

1.3 变频器的调速原理

本系统采用目前应用广泛的交直交变频器，其工作原理是通过整流结构将工频交流电转换为直流电，然后再利用逆变结构将直流电转换为频率可调的交流电。由电机的工作原理可知，转速与电源的频率和电压成正比关系，所以通过改变电机电源的频率可对电机的转速进行调节，其利用的公式如式（1）。

式中：n为电机的输出转速；p为电机的极对数；f为电机的电源频率；s为电机转差率。

交直交变频器的频率可调范围较宽，所以在对电机调速时控制的精度与范围都比较高，其启动加速度可以控制在0～0.05 m/s2，所以通过软起动的方式可以实现皮带输送机的“S”曲线启动，可有效降低电机部件在大功率启动时受到的冲击，同时避免电机过载被烧毁，使得带式输送机稳定运行。

图4 变频器的等效数学模型

图4 所示为变频器的等效数学模型。Vin为变频器的输入变量；K1为第一个放大器的比例系数；Vb为限幅器的限幅值；t0为积分时间常数，它就是系统所设定的电机加减速时间；K2为第二个放大器的比例系数，比例放大系数K=，P为系统设定的变频器输出频率。

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2 系统硬件设计

2.1 PLC控制器选型

控制系统中PLC的主要实现3个功能：（1）数据采集与控制。包括传动滚筒的温度、运行工况和速度等实现一定的自动控制；（2）故障诊断。利用采集的数据计算设备的运行状态，判断是否产生故障；（3）人机对话。控制器将传输到调度室上位机，从而实现调度室对工作面带式输送机的远程启停和其他监控作用。

在综合对比市面上的PLC控制器后，最终选用德国西门子公司生产S7-200 PLC系列的CPU224XP作为本控制系统的控制器。S7-200系列作为PLC可编程控制器的经典控制器，其结构设计紧凑，指令功能丰富，可以满足带式输送机各项控制与计算要求[6-7]。S7-200系列的CPU224XP控制器程序编写简单，易上手，工人可通过简单的梯形图对其调试，并且工作可靠性高，抗干扰能力强。

2.2 传感器组

传感器作为实现本系统自动控制的关键部件，系统通过检测设备运行数据实现自动控制和报警功能。根据本系统需要采集的数据分析，系统所需设置的传感器有速度传感器、跑偏传感器、温度传感器和纵撕传感器。各个传感器的型号如表1所示。

表1 系统传感器型号

2.3 RS485通讯方式

RS485属于半双工通信，传输距离可达1 000 m，传输速度最高可达10 Mbps[8]。RS485抗干扰能力强，传输数据准确率高，组合使用平衡驱动器和差分接收器，增强了共模性。设计的RS485串口接线如图5所示，采用MAX485芯片实现信号传输。

图5 RS485串口接线图

3 软件设计

系统初始化后进行自检，当检测到系统可正常运行时，系统开始启动，主程序流程图如图6所示。软件部分由自检模块、通讯模块、数据采集模块、故障监测模块与自动控制模块等组成。系统首先对皮带进行张紧动作，保证皮带机在运输过程中，皮带与滚筒之间存在足够大的摩擦力，同时防止载荷冲击对设备的损坏。系统通过数据收集模块采集设备的信息，包括在上文中提到的速度、温度等信号；通过自动控制模块实现程序的调用，控制器对数据计算分析，实现设备的自动启停与调速等功能；系统通过通讯模块，以RS485的通讯方式将控制器处理后的数据与信号传输到上位机，工作人员可通过触摸屏直接监测与控制皮带输送机。

图6 主程序流程图设计

4 结束语

本文设计了一种基于PLC控制器的皮带输送机变频调速系统，采用位置与速度的双闭环控制，通过变频器改变电机的输入频率来调节皮带机的运行速度，并且可实现“S”曲线式的速度调节。变频控制系统实现了输送机的软起动，减少了设备在运行过程中受到的冲击，系统的应用将会增大设备的运载量，降低运行时产生额能耗。