基于PLC的礦用帶式輸送機電控系統設計

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備，主要由傳動滾筒、驅動滾筒、驅動裝置、皮帶、機架等組成[1]，具有結構簡單、運量大、運輸效率高等優點。但在實際工作中，隨著運輸煤料和矸石的變化，輸送機經常在滿載和空載之間相互轉換。傳統的帶式輸送機不能靈活地改變輸送帶的轉速，從而導致電能的大量消耗[2]。本文針對某煤礦帶式輸送機在運行過程中出現的滿空載現象，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進行設計研究。設計相關電氣系統，包括電機的速度調節、皮帶的軟啟動、皮帶的各項保護的實時監控等，實現電能的節省和皮帶的穩定連續運行[3-4]。

1 電氣系統的整體設計

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

本次設計的電控系統的核心處理單元主要是西門子PLC-1200，其中主站PLC控制器負責完成皮帶的軟啟動，通過連接堆煤、煙霧等傳感器實現對皮帶的運行保護。皮帶中部設置的從站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還配有組態顯示系統，實時顯示皮帶的速度、電機溫度、堆煤、跑偏等數據?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

圖1 電控流程

2 PLC和變頻器的硬件設計

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具有多路數字量和模擬量的輸入輸出口，集成有工業以太網、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、穩定、可靠的輸出，控制功能完備。本電控系統采用的西門子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 相關模塊的選型

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

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開關電源和主控制器一起置于防爆外殼之內，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的工業觸摸屏，可對皮帶的主控制器和保護裝置進行在線監控，實現人機交互。

2.3 變頻器選型

本次設計要對皮帶機進行軟啟動控制，并要實現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定可靠，二要具有防爆功能。經過對比，選用礦用隔爆永磁同步變頻電機，電機的額定功率為800kW，額定轉矩為83043N·m，冷卻方式為IC46W水冷，額定電壓為1140V，額定轉速為92r/min，調速范圍為5～92r/min，工作轉速為92r/min，啟動轉矩倍數為2倍。電機轉子采用N38UH釹鐵硼燒結永磁體，電機定子還要預埋三相PT100測溫元件，采用開環同步矢量控制方式。

2.5 保護系統

對于皮帶機的電控系統，必須設計保護系統。保護系統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。機頭驅動滾筒處放置超溫灑水保護裝置，防止滾筒與皮帶摩擦過熱發生著火事故。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 整機的程序設計

本系統的程序設計主要是通過在PLC主控制器中編寫程序實現皮帶的啟停動作，并處理皮帶的各種故障保護傳感器的信號，實現對皮帶的故障急停保護。結合上位機人機界面改變變頻器的頻率對電機實現速度控制，主要控制結構如圖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、風扇電機等。如無法正常啟動控制器，則會收到相應的反饋信號，停止皮帶機的啟動，當正常啟動輔助電機后，系統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。皮帶機的電控系統網絡結構如圖3所示，主要控制程序如圖4所示。

圖3 網絡結構圖

圖4 設備主程序

在上位機人機交互界面組態系統中，設計相關界面實現對皮帶機的各種保護進行監控，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、皮帶轉速和電機電流。通過對返回數據參與控制的方式實現皮帶控制。如果沒有返回數據或者返回數據錯誤，系統就會報出故障，對皮帶機實現急?？刂?。主控制器還對皮帶沿線的保護數據進行采集，傳輸給上位機人機界面。上位機組態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和保護狀態進行顯示。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。當有故障發生時，組態界面還會滾動播報故障原因，方便有關人員進行處理。

4 結語

分析礦用帶式輸送機的現狀，發現在現行狀態下皮帶的保護措施不夠完善，且不能靈活改變帶速滿足節能化的要求，提出通過變頻電機和變頻器結合控制的方法，實現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了對皮帶保護的實時檢測，提高了煤礦運輸的安全性，為煤礦高效、節能、安全運輸奠定了扎實的基礎。