連續皮帶機控制系統的設計及實踐

張成月

（北京博維航空設施管理有限公司，北京 101300）

對于連續皮帶機電控系統來說，施工單位往往是成套購買國外的設備，這種外購設備涉及到的產品升級和售后等存在著較多的不便，從而影響工程施工的正常進行，為此，開展連續皮帶機的自主研發對我國的工程發展具有非常重要的意義。在進行連續皮帶機的電控設計過程中，其包含了PLC編程和人機界面組態等多種知識保護內容，當前對連續皮帶機的電控解決方法大部分僅僅停留在結構介紹等方面，這就使得連續皮帶機電控系統設計存在著較多的問題。像王志遠等對連續皮帶機的配套TBM出碴技術進行了研究，提出了一些自身的改善建議；在韓冰的相關論述中，對斜井隧道的連續皮帶機出碴系統選型配置進行了簡單的分析等。通過對這些研究內容進行整理分析，對連續皮帶機的原理介紹和研究，結合實際案例設計了一套連續皮帶機控制系統，該系統通過不斷的完善和優化，逐漸實現了工業現場施工的穩定性。

1 控制系統總體設計研究

1.1 項目介紹

本次研究工作是在蒙華鐵路白城隧道方面展開的，該隧道工程全長約3km，其采用連續皮帶和轉載皮帶方式進行出碴任務。對于連續皮帶機設備，其動力系統采用的是2臺200kW的電機，在機頭100m位置處安裝了張緊絞車，絞車帶動連續皮帶機的正常運行。

1.2 控制網絡的設計研究

對于控制網絡，其在整個控制系統中占據著非常重要的地位，通過控制網絡能夠實現控制系統中各個設備之間的數據交互，在當前的工業控制網絡中，其主要是通過CAN總線和Modbus總線等方式實現對所有設備的有效控制。對于不同的控制網絡系統，其采用的控制方式存在著一定的差別，這是因為不同的總線控制方式具有各自的特點，像Profibus-DP總線控制系統，其是一套應用時間比較長的通信系統，但其通訊速度相對較慢；而Profinet總線采用的是以太網通訊，這種通訊方式傳播速度較快，穩定性強，但其研究資料相對較少。本文研究的控制系統采用的是Profibus-DP總線控制模式。圖1為網絡控制結構圖。

圖1 網絡控制結構圖

通過結構分析可以發現，本次研究中采用DP作為主站，其他設備作為DP站的從站，通過光纖將連續皮帶機的配電房引至洞內主控制室，從而實現連續皮帶機的數據交互功能，其他設備分別承擔著不同的作用。通過這一控制系統，能夠實現對皮帶機的啟動和參數修改等。

2 PLC編程設計研究

2.1 CPU選型和IO模塊確定

對于CPU選型，其是當前對系統資源進行合理配置的關鍵性內容，在進行選擇的過程中需要對CPU的各項功能進行全面的分析，像系統工程和程序塊數量限制等，通過這些資料分析選擇最佳的CPU型號，針對本次研究工作，最佳的控制技術最好在西門子公司技術支持下開展，選擇合理的型號對應本次研究設計。通過分析，本次選擇CPU型號為CPU315-2PN/DP，這一型號采用的是384KB的RAM等組合接口，其在使用過程中能夠實現32個IO模塊的擴展應用，滿足本次項目設計需求。對于IO模塊的確定，其需要根據項目的本身規劃進行總體分析，一般情況下，對于IO模塊的確定，其采用的是DI和DO等類型對其進行分配。對于DI模塊，其是數字量的輸入模塊，這一模塊在選型時需要結合設備的輸入點數以及按鈕之間的距離等進行綜合性考量。DO則是數字量輸出模塊，這一模塊主要是對設備的外部系統進行控制，像電機和風機等，在進行選擇時需要重點關注被控制系統的電壓等級設計。另外的AI是模擬量輸入模塊，其在進行選擇的過程中不僅需要考慮到傳感器的點數，同時對信號的類型等也需要進行綜合考量。最后的AO是模擬量輸出模塊，這一模塊主要涉及到電壓和電流2種不同的信號，在選擇時需要根據被控制對象進行確認和分析。

2.2 PLC程序設計

對于PLC程序設計工作，其涉及到了皮帶機設備的順序啟停和不同電機之間的功率平衡等內容，由于多電機之間的功率平衡存在著較為復雜的內容結構，在設計的過程中涉及到的內容較多，本次研究主要是針對順序啟停程序進行PLC設計工作。對于皮帶機的啟停功能，其主要包括起車順序：張緊絞車-轉載皮帶-連續皮帶-TBM主機皮帶-刀盤；然后是停車順序：刀盤-TBM主機皮帶-連續皮帶-轉載皮帶-張緊絞車。而對于急停程序來說，其在整個系統設計工作中占據著非常重要的地位，在設計的過程中需要對急停的條件和方式進行綜合考慮，在急停時需要保證皮帶機無論在何種狀態下都能夠接收到急停信號，并在接收到信號之后以最快的速度進行急停。

3 皮帶綜合保護系統的設計研究

在進行皮帶綜合保護系統設計之前，需要了解到這一系統的主要作用，對于皮帶綜合保護系統，其主要是為了保證高速運行的皮帶持續穩定性的運行。在進行設計的過程中，需要結合隧道的出碴狀況選擇對應的傳感器設備，通過這一系統能夠保證皮帶機在急停和跑偏等狀況時處于良好的運行狀態，防止設備受到損傷。對于煤礦的皮帶機，其拉繩傳感器一般情況下需要設計為40M/個，而對于隧道的皮帶機拉繩，其在設計過程中并未對其安裝距離進行明確的規定，在進行設計和安裝時，習慣性的安裝距離為100m/個，這樣能夠保證皮帶機運行的安全性，但對于兩個傳感器設備之間的拉繩，其需要采用托架進行拉繩垂度調整。跑偏傳感器在安裝時往往采用的是成對安裝方法，在皮帶機的機頭和機尾以及轉彎位置處分別進行傳感器的安裝，而對于堵料傳感器，其安裝位置往往是在落料點的附近。對于這一傳感器的安裝，為了保證其正常使用，需要保證落料不會對傳感器的安全造成影響。為了方便PLC編程工作的正常進行，皮帶綜合保護系統設計采用的是西門子IO模塊，這一模塊應用能夠保證傳感器安裝的正常使用。拉繩傳感器在接入時采用的是IO模塊，在應用時通過IO模塊對傳感器的狀態進行掌握。

4 多電機功率平衡

對于多電機的功率平衡系統研究，其在連續皮帶機控制系統中是核心內容之一，通過這一系統設計能夠決定設計的成功與否。連續皮帶機在使用過程中采用的是2臺型號相同的電機，在使用過程中需要保證2臺電機的功率是相同的，這樣才能夠保證皮帶機的運行穩定性和安全性。若在運行過程中兩臺電機的出力不同，可能會造成其中一臺電機負載較大，出現發熱過重的問題，另外，兩臺電機之間的距離較近，造成兩臺電機之間皮帶的拉力較大，造成皮帶撕裂的危險，影響皮帶機的正常運行。

本研究中，針對皮帶機之間的功率平衡問題，采用的是主從轉矩跟隨模式，這一設計方法使得電機在相同轉速下的出力相同，最終通過電流數據反映兩臺電機的運行狀況。在設計過程中將其中的一臺電機作為主電機，其在工作模式下的其他電機全部為從電機，通過轉矩控制將主電機的輸出作為從電機的控制信號，在從電機轉矩超過主電機時，系統會對從電機的轉速進行調整，從而保證了兩臺電機之間運行的穩定性。但對于這種控制模式，其可能會造成死區問題的出現，當速度達到主電機控制的下限或者上限時，其變頻器往往會保持這一狀態，從而造成轉矩無法實現統一，可能會出現返回轉矩控制模式或者故障模式的出現等。因此，可以通過減小/增大負靜帶值的方法對其進行改善，從而使得主電機和從電機之間的運行保持在穩定狀態。

5 結語

綜上所述，通過本次研究可以發現，對于連續皮帶機控制系統的設計工作，其可以采用長距離連續皮帶機運行模式，同時在設計的過程中結合多電機功率平衡原理，對TBM和盾構刀盤之間的多電機進行功率平衡，保證電機運行的穩定性。此外，在設計的過程中還需要對皮帶機的頭部進行集中驅動，這樣才能夠保證現場施工的安全性。