連續皮帶機控制系統的設計及應用

張立勛， 孫 偉

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450000)

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連續皮帶機控制系統的設計及應用

張立勛， 孫 偉

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450000)

為解決外購連續皮帶機控制系統的維護和升級的難題，自主研發已是迫在眉睫。以蒙華鐵路白城隧道出碴皮帶機為背景，對連續皮帶機控制系統的總體設計、PLC編程、皮帶綜合保護和人機界面組態的設計進行闡述,并重點介紹多電機功率平衡和皮帶自動張緊等關鍵技術的設計過程。完成了一套整體的連續皮帶機控制系統解決方案，實現了在實際生產中的穩定運行。

連續皮帶機；控制系統；PLC；人機界面；功率平衡；自動張緊

0 引言

連續皮帶機電控系統一般為成套外購，如蘭州水源地、吉林引松等項目。作為外購設備，會給產品升級、售后服務、設備配套帶來諸多不便。蒙華鐵路白城隧道連續皮帶機要求自主研發，項目由此展開。

連續皮帶機的電控設計涉及總體規劃、PLC編程、人機界面組態、皮帶綜合保護等知識。國內鮮有資料介紹連續皮帶機電控解決方案，大多都是介紹結構設計和施工工藝。王智遠等[1]對連續皮帶機配套TBM出碴技術進行了探討；許金林等[2]分析了出碴體系和初步襯砌體系之間的矛盾并提出了解決方案；韓兵[3]闡述了斜井隧道連續皮帶機出渣系統選型配置；李文帥[4]對羅賓斯TBM連續皮帶機急停系統的改造進行了分析和研究。

鑒于此，本文對連續皮帶機工作原理進行深入分析后，結合蒙華鐵路白城隧道的施工現場，設計出一套完整的連續皮帶機控制系統解決方案。該控制系統自2016年10月以來經過不斷的優化和完善，實現了在工業現場的穩定運行。

1 控制系統總體設計

1.1 項目概述

蒙華鐵路白城隧道位于陜西省靖邊縣，隧道總長3 km，由連續皮帶和轉載皮帶負責出碴。連續皮帶機由2臺200 kW的電機在頭部驅動。張緊絞車安裝在距離機頭100 m的位置，絞車電機功率為45 kW。轉載皮帶長0.3 km，由1臺200 kW的電機在尾部驅動，通過尾部張緊絞車張緊皮帶。皮帶機的位置關系如圖1所示。

1.2 控制網絡設計

控制網絡是整個控制系統的骨架，它負責各個設備的數據交互。目前常用的工業控制網絡有CAN總線、Profibus-DP總線、Profinet總線、Modbus總線等。Profibus-DP總線基于485通訊，應用時間較長，技術資料多，比較成熟，但通訊速度較慢；Profinet總線基于以太網通訊，是西門子近年推出的，通訊速度快、擴展方便、性能穩定，但資料相對較少。如果沒有大量的數據進行交互，可以選擇自己較為熟悉的控制網絡模式，本項目選用Profibus-DP總線。控制網絡如圖2所示。

圖1 皮帶機布置圖Fig.1 Layout of belt conveyor

圖2 網絡結構圖Fig.2 Diagram of network structure

在圖2中，1套S7-300PLC作為DP主站，其他設備均為DP從站。光纖由洞外連續皮帶機配電房引至洞內TBM主控室，實現連續皮帶機與TBM的數據交互。光端機選用西門子光纖鏈路模塊OLM G11-1300，使用西門子TP1200作為人機界面。

VFD1、VFD2、VFD3是3個主驅變頻器(需要配備DP通訊卡)；VFD4是張緊變頻柜；ZBG是皮帶綜合保護控制柜(內裝遠程IO)；IM153是西門子S7-300遠程IO模塊。在洞外皮帶機控制室和洞內TBM控制室內均設置有觸摸屏，均可以直接進行皮帶機的啟停控制、參數修改、報警查詢等操作。

2 PLC編程設計

2.1 CPU選型及IO模塊確定

CPU的選型是合理配置系統資源的關鍵，選擇時必須考慮控制系統對CPU的要求(包括系統集成功能、程序塊數量限制、各種位資源、MPI接口能力、是否有PROFIBUS-DP主從接口、RAM容量、編程軟件等)，最好在西門子公司的技術支持下進行，以獲得合理的選型。鑒于上述情況并結合相關經驗，本項目選用CPU315-2PN/DP(6ES7 315-2EH14-0AB0)作為主控制器。該CPU具有384 kB的RAM、MPI/DP組合接口，可擴展32個IO模塊，完全滿足項目需要。

IO模塊的確定需要根據項目本身的特點進行總體規劃。一般按照DI、DO、AI、AO 4類進行分配。DI是數字量輸入模塊，選型時根據輸入的點數、按鈕(開關)的距離等進行綜合考慮；DO是數字量輸出模塊，主要是控制外部設備的，如電機、風機、指示燈等，選擇時一定注意被控對象的電壓等級；AI是模擬量輸入模塊，選擇時需要考慮傳感器點數、信號類型(電壓/電流/電阻)；AO是模擬量輸出模塊，一般輸出電壓和電流2種信號，需要根據被控對象(如變頻器速度、比例閥開口等)進行選擇。在CPU和IO模塊的選型過程中也參考了一些文獻，如文獻[5-9]。

2.2 PLC程序設計

PLC程序涉及皮帶機順序啟停、多電機功率平衡、變頻自動張緊及故障處理等內容。由于多電機功率平衡和變頻自動張緊內容復雜，單獨放在后文章節介紹，這里僅介紹順序啟停程序的設計。皮帶機順碴土流動方向停車，逆碴土流動方向起車。啟動和停止順序如下所示。

1)起車順序：張緊絞車—轉載皮帶—連續皮帶—TBM主機皮帶—刀盤。2)停車順序：刀盤—TBM主機皮帶—連續皮帶—轉載皮帶—張緊絞車。起車流程比較簡單，不再贅述。皮帶機停車流程如圖3所示。

此外，急停程序也是系統設計的一個關鍵部分，急停設計應考慮急停產生的條件和急停方式。一般情況下，拉繩被拉下、變頻器故障、急停按鈕被按、溜槽堵料等信號都是需要急停的。急停時，不管當前皮帶機處于何種運行方式，一旦接收到急停信號，就要以最快的速度停止所有設備(包括主驅動、張緊絞車、噴水裝置等)。急停發生后，必須復位才能重新啟動皮帶機。

3 皮帶綜合保護系統設計

為了保證皮帶在高速和重載的環境下安全穩定運行，一套高效的皮帶綜合保護裝置是必不可少的。根據隧道掘進出碴的現場情況，隧道用皮帶綜合保護傳感器應包括拉繩(急停)、跑偏、堵料、撕裂、失速[10]。

圖3 停車流程圖Fig.3 Flowchart of stopping

煤礦用皮帶機拉繩傳感器一般40 m /個，隧道用皮帶機拉繩安裝間距目前沒有明文規定，習慣間隔100 m /個來布置，但必須在2個拉繩傳感器之間增加托架，以免拉繩垂度太大。跑偏傳感器成對安裝，一般安裝在機頭、機尾、轉彎處；堵料傳感器安裝在落料點附近，但不能被落料砸到，避免引發誤動作；撕裂傳感器一般懸掛在機頭和機尾附近上下帶的中間位置。失速傳感器通過檢測皮帶實際運行的線速度，來判斷是否存在打滑現象，以避免打滑帶來的堵料現象，一般安裝在下帶的上方運行比較平穩的地方。皮帶綜合保護布置示意圖如圖4所示。

為方便編程，該皮帶綜合保護系統內置西門子遠程IO模塊。拉繩傳感器接入綜合保護主機，其他傳感器直接接入遠程IO模塊。PLC可以通過遠程IO直接讀取各個傳感器的狀態(包括拉繩和跑偏的位置)。

4 多電機功率平衡

多電機功率平衡是連續皮帶機自動控制的核心技術之一，它決定著系統設計的成敗。連續皮帶機有2臺同型號電機驅動(非同軸)，如何保證2臺電機出力相同是至關重要的。一方面2臺電機如果長時間出力不同(電流不同)，必然導致其中一臺電機因過載而發熱，嚴重時可能會損壞電機，另一臺電機卻輕載運行；另一方面2臺電機距離很近，如果出力相差太大可能會導致2臺電機之間的皮帶因受力過大而撕裂。

圖4 皮帶綜合保護布置圖Fig.4 Layout of comprehensive protection of belt

采用主從轉矩跟隨可以很好地解決這一問題。在相同轉速下，電機出力相同就是瞬時轉矩相同，但最終要反映在電流上。其中1臺電機作為主電機，工作在速度環模式(恒轉矩模式)下，其他電機都是從電機，工作在轉矩控制模式下，把主電機的轉矩輸出作為從電機的控制轉矩。當從電機轉矩大于主電機時，從電機就會降低轉速，從電機的瞬時轉矩下降，主電機轉矩卻隨之上升。反之亦然，在從電機不斷變速的過程中實現了主從電機的功率動態平衡。速度的調節范圍叫做正負靜帶[11]。

這里以施耐德ATV71系列變頻器為例進行說明。3臺主驅動電機是380 V、200 kW三相異步電機，由于皮帶機帶重載啟動的概率比較大(比如緊急停止后)，選擇了大一級的變頻器ATV71HC25N4，該變頻器額定功率是250 kW。ATV71變頻器轉矩控制示意圖如圖5所示。

AB與CD為“回退”速度調節；BC為轉矩控制區；E為理想工作點。
圖5 轉矩控制圖
Fig.5 Control chart of torque

在轉矩控制模式下，速度可能會在可設置的“死區”內變化。例如，主從電機速度給定為30 Hz，正負靜帶值為3 Hz，那么從電機的轉速會在27～33 Hz變化(BC段)。

當速度達到下限或上限時，變頻器自動轉到速度調節模式(回退) 并保持此極限速度，故所調節的轉矩不再保持，可能會發生如下2種情況。

1)如果轉矩恢復為所要求的值，變頻器會返回轉矩控制模式。

2)如果轉矩在可設置的時間周期結束時沒有恢復為所要求的值，變頻器就會切換到故障模式或報警模式。

需要說明的是，從電機的“電機控制類型”必須設為SVC I，才可以進行轉矩控制的相關參數設置。此外，正負靜帶值也是在從變頻器上進行設置的。

經過現場實際測試，主從電機轉矩跟隨控制效果良好，主從電機的瞬時電流最大誤差在5 A以內。主從電機電流對比如圖6所示。

圖6 主從電機電流對比圖Fig.6 Current contrast between master motor and slave motor

由圖6可以看出，主電機的電流始終略大于從電機，這是因為主從兩電機的布置位置不同導致的。在這種情況下，即使從電機以最大轉速(是設定轉速+正靜帶的值，不是50 Hz)運行時，也不能使自己的轉矩大于主電機，從而進入速度控制模式，之后的轉矩才大于主電機，速度開始降低。可以通過減小負靜帶值和增大正靜帶值的方法加以改善，或者給主電機的轉矩乘以一個系數后再賦予從電機的方法來實現。項目中，由于主從電機電流誤差較小，因而沒有進行以上調整。

5 連續皮帶自動張緊設計

5.1 自動張緊基本原理

連續皮帶機的自動張緊系統是整個皮帶機系統穩定運行的關鍵。連續皮帶機隨著TBM的不斷掘進而不斷延伸，就是依靠一套自動張緊裝置。自動張緊裝置一般有2種類型：重錘自動張緊和變頻自動張緊。重錘張緊效果不如變頻張緊，近年來許多項目都是使用的變頻自動張緊系統，如引黃、引松、蘭州水源地等項目。變頻器張緊絞車示意如圖7所示。

圖7 變頻器張緊絞車系統Fig.7 Tensioning system base on frequency converter

5.2 控制系統分析與設計

變頻自動張緊系統比較復雜，一般包括張緊絞車、制動抱閘、鋼絲繩滾筒、變頻器、控制器、人機界面等。由于電機經常運行在低速大轉矩的狀態下，最好選擇功率大1級(或2級)的變頻器，以利于耐受大的沖擊電流。設計中張緊絞車電機為45 kW，選擇了75 kW的變頻器。一般變頻自動張緊有2種類型：電機持續工作和間歇工作模式。

持續工作模式是指電機一直輸出轉矩來平衡皮帶的張力，達到一種動平衡狀態。該模式下電機需要加裝編碼器，以便電機可以實現零速滿轉矩工作。該模式動態響應速度好，控制精度高，但不節能。在間歇工作模式下，電機只有在設定值和實際值有較大偏差時才動作。沒有偏差時，電機不動作，抱閘抱緊電機軸，絞車處于靜止狀態。相比較而言，張緊電機間歇工作模式更易于控制、穩定可靠、比較節能，但控制精度相對不高。蒙華鐵路白城隧道連續皮帶機自動張緊系統，就是采用這種電機間歇工作的模式。

根據皮帶張力與長度的關系，在觸摸屏上設定張力值。當前張力值在設定范圍時，抱閘電機不動作，抱閘抱緊絞車滾筒；當張力值超出設定范圍時，抱閘打開，張緊電機進行緊帶(松帶)動作，當前張力進入設定值范圍后，電機停止，抱閘閉合。在緊帶(松帶)過程中一直存在很大張力，防止出現啟停過程的溜車現象是十分重要的。

施耐德ATV71變頻器可以在閉環模式下實現零速滿轉矩，這個特性可以大大減少溜車現象。此外，皮帶的緊帶(松帶)過程非常類似于起重機的提升(下降)過程。結合變頻器提升模式下對抱閘的控制，可以做到完全不溜車。變頻器關鍵參數設置如表1所示。

表1 變頻器參數表Table 1 Parameters of frequency converter

緊帶時，變頻器首先給電機輸出勵磁電流預勵磁，電機建立磁通后輸出轉矩電流。當轉矩電流達到抱閘釋放電流設定值Ibr時，繼電器R2輸出打開抱閘，同時轉矩電流保持brt時間，待抱閘完全打開后開始加速運行。此過程的目的是使電機快速獲得緊帶方向的大轉矩， 以防止電機在皮帶張力的作用下溜車。停車時，當轉矩電流下降至Ibr保持不變，并延時tbE(一般設為0，即電流下降到Ibr立即發出抱閘指令，不管頻率是否為0)后，R2斷開閉合抱閘，經后延時bEt等待抱閘完全閉合后，轉矩電流下降至0，從而實現可靠停車[12]。

松帶時，變頻器最好工作在閉環模式下，通過零速滿轉矩特性來保證不溜車。這是因為變頻器在開環模式下，低頻段(3 Hz以下)不能保證輸出滿轉矩。當皮帶張力很大時，松帶瞬間會有一個短時(2 s左右)的溜車現象，故在設計變頻器自動張緊系統時，最好給電機加裝編碼器，讓變頻器工作在閉環控制模式。

此外，松帶時在皮帶張力的牽引下電機將會處于發電狀態(特別是在最后掘進期間)，故變頻器需要配備制動電阻或能量回饋單元，一方面可以把母線上過高的能量消耗，另一方面也可以起到一定的制動作用。考慮自動張緊變頻器是間歇動作，且低速運行，僅配備制動電阻箱即可。制動電阻最好使用功率和阻值與變頻器相匹配的起重電阻器。制動邏輯時序圖如圖8所示。

圖8 制動邏輯時序圖Fig.8 Logic sequence diagram of brake

5.3 PID參數整定

在保證了啟動和停止不溜車后，就要考慮程序的設計。連續皮帶機自動張緊是一個典型的PID系統，控制效果就看PID參數的整定。打開西門子集成編程軟件Portal，在右側可以看到“工藝”選項卡。里面有“PID控制”模塊，我們使用“PID基本函數”里面的“CONT_C”函數，連續性PID控制器。特別說明的是，函數“CONT_C”必須放在中斷函數OB35里面才能執行。由于連續皮帶機的張力調節屬于緩慢調節，允許存在穩態誤差，且張力變化緩慢，故僅使用比例環節就能滿足控制需要。

需要注意的是，PID的輸入應是張力設定值與過程值的差，輸出值是電機的頻率。過程值大于設定值，輸出負頻率，電機反轉；過程值小于設定值，輸出正頻率，電機正轉，電機轉速與誤差成正比。為了使系統既有良好的響應速度，又能保持穩定，需要根據現場和設備情況整定出合理的比例系數。

在PID參數整定時，首先要估算出輸出變量(頻率)的大致范圍，如本設計中的絞車電機的速度大致在0～25 Hz，經測算電機運行在0～5 Hz的概率比較大。在確定比例系數時，需要充分考慮該特性，先用較小的比例系數，看響應是否及時。如果不能及時響應張力的變化，再逐步加大比例系數，最終實現整套張緊系統運行穩定、響應快速。

此外，由于拉力傳感器長期處于交變應力的作用，加大了故障的概率，故要有傳感器失效的判斷和應急措施。一般可以通過使用2個傳感器來冗余，以減小設備停機的概率。傳感器失效后，也可以通過變頻器零速滿轉矩來判斷當前張力值，與張力設定值進行粗略比較，進行松帶(緊帶)動作，然后報警給上位機，等待維修。

6 人機界面設計

人機界面選用西門子精智面板TP1200觸摸屏，編程軟件為Portal V13，在Portal軟件的使用過程中主要參考了文獻[13]。

連續皮帶機的人機界面一般應包括主畫面、參數設置、當前報警、歷史報警、皮帶綜保等畫面，這里僅以主畫面為例進行說明。主畫面是整個人機界面的核心，應包括皮帶機布置示意圖、重要參數(電機電流、溫度等)、系統運行狀態、啟停按鈕、手自動切換按鈕等(如圖9所示)。

圖9最上部分顯示皮帶機啟動狀態，電機未啟動時顏色為深藍色、正在啟動時顏色為黃色且閃爍、啟動完成后顏色為綠色。中間部分棒圖顯示電機的電流、儀表盤顯示電機的繞組溫度，它們的背景顏色為紫色，表示不能操作。再往下是皮帶機控制按鈕(旋鈕)，它們的背景顏色為淺藍色，表示可以操作。最下面的按鈕是各個畫面的切換按鈕，這些按鈕放在了“模板”里面，可以保證每個畫面里面都能顯示，這些按鈕的背景顏色也是淺藍色。其他畫面設計方法類似，這里不再贅述。特別說明的是，要顯示歷史報警信息，除了正確組態“報警記錄”外，一定要在觸摸屏上安裝SD卡或者U盤，否則無法記錄歷史報警信息。

圖9 主畫面Fig.9 Main frame

此外，為了安全專門設計了“鎖屏”按鈕，在鎖屏后，只能顯示皮帶機當前狀態，不能進行任何操作，解鎖需要操作員密碼。進入“參數設置”和“高級設置”頁面需要管理員密碼。

7 結論與建議

設計完成后，該控制系統已運行在蒙華鐵路白城隧道連續皮帶機上。后經過多次的改進與完善，目前運行穩定，主要結論如下：

1)利用文中的方法可以很好地控制長距離連續皮帶機的運行，也包括固定皮帶機。

2)文中雖然介紹的是連續皮帶機的自動控制設計，但其中的多電機功率平衡原理可以應用于其他方面，如TBM和盾構刀盤的多電機功率平衡。

但在實際運行中，也發現不少問題，分析和建議如下。

在現場使用過程中，出現了因冷卻風機停轉導致電機過熱而停機的故障，就是因為沒有監視冷卻風機的運行狀態。因此，實時監控冷卻風機的運行狀態是非常重要的。如果不方便檢測風機轉速，至少也要能判斷風機繼電器的閉合狀態。

目前，此電控方案僅應用于皮帶機頭部集中驅動的情況。如果應用在頭尾或頭中尾驅動的場合下，不一定很合適，還需要根據現場和技術要求進行調整和完善。

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Design and Application of Control System for Continuous Belt Conveyor

ZHANG Lixun,SUN Wei

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

The maintenance and upgrade of control system for imported continuous belt conveyor are difficult；hence it is necessary to carry out independent research and development.In view of belt conveyor used in mucking of Baicheng Tunnel on Menghua Railway,the general design of control system,programmable logic controller (PLC) programming,comprehensive protection of belt and design of man-machine interface (HMI) configuration of continuous belt conveyor are introduced.A suit of control system program of continuous belt conveyor is completed,and by which the belt conveyor works stably.

continuous belt conveyor; control system; PLC; HMI; power balance; automatic tensioning

2017-01-16;

2017-03-29

張立勛(1979—)，男，河南確山人，2010年畢業于河南科技大學，機械電子工程專業，碩士，工程師，現從事TBM及連續皮帶機電控系統研發和設計工作。E-mail：271226181@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.018

U 45

A

1672-741X(2017)06-0768-07