皮帶運輸機自動變頻控制張緊系統(tǒng)的設計

劉 飛

(陽煤一礦 機電工區(qū)，山西 陽泉 045008)

0 引言

皮帶運輸機是煤礦開采過程中的重要運輸設備，扮演著不可或缺的角色。目前大型、長距離的皮帶運輸機張緊系統(tǒng)多采用液壓自動張緊裝置，將液壓缸作為執(zhí)行元件，配合張緊小車與慢速絞車，可實現(xiàn)皮帶運輸機在不同工況下皮帶張緊力的自動調(diào)整，解決了皮帶的打滑、松弛等問題。但是液壓自動張緊裝置過于復雜、設備故障率高，發(fā)生故障時排查周期長，檢修難度大，同時裝置響應速度也相對較慢，難以滿足煤礦生產(chǎn)的需求[1，2]。

針對上述存在的問題，本文對皮帶運輸機中的液壓自動張緊裝置進行了優(yōu)化改造，提出了一種基于PLC的自動變頻控制張緊系統(tǒng)，使用防爆變頻器代替原有的液壓油缸，通過PLC控制防爆變頻器進而控制慢速絞車的電動機，最終實現(xiàn)皮帶運輸機在不同工況下的皮帶張緊力自動調(diào)整，解決了液壓自動張緊裝置的缺點與不足。

1 皮帶運輸機自動變頻控制張緊系統(tǒng)總體架構(gòu)

皮帶運輸機自動變頻控制張緊系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)包括上位機監(jiān)控平臺、PLC、傳感器檢測單元、液晶顯示單元、按鍵輸入單元、變頻器單元、電動機單元、張緊絞車、冷卻系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等。其中，防爆變頻器在長時間工作過程中，由于自身溫度不斷升高可能導致其不能正常工作，因此冷卻系統(tǒng)負責對防爆變頻器進行降溫；冷卻系統(tǒng)中存在降溫水箱，溫度傳感器負責對水箱中的水溫進行檢測，實現(xiàn)溫度預警，為電控系統(tǒng)的工作提供條件；張力傳感器負責對張緊絞車附屬的鋼絲繩進行張力檢測，并傳輸給PLC；液晶顯示單元負責實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實時顯示；聲光報警單元負責溫度和張力的超限預警；按鍵輸入單元負責設定溫度和張力的閾值范圍；PLC負責對傳感器傳輸?shù)臋z測數(shù)據(jù)進行分析處理并下發(fā)控制指令，同時需要將相關信息上傳到上位機監(jiān)控平臺，方便遠程工作人員進行監(jiān)控；上位機監(jiān)控平臺通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進行通訊實現(xiàn)遠程監(jiān)控；變頻器通過調(diào)節(jié)頻率實現(xiàn)對張緊絞車電動機的調(diào)速控制。

圖1 皮帶運輸機自動變頻控制張緊系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件方案設計

2.1 PLC選型

井下皮帶運輸機工作環(huán)境復雜，根據(jù)環(huán)境及功能需求，選用西門子S2-700系列PLC作為主控制器，該系列PLC具有豐富的指令集，抗干擾能力強，功能強大，非常適用于井下工作[3]。PLC的中央處理器模塊選用CPU226，該模塊具有很強的擴展功能，根據(jù)張緊系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)擴展一個EM235模擬量輸入輸出模塊和一個以太網(wǎng)通訊模塊。

2.2 傳感器選型

本文使用了兩種傳感器，分別為溫度傳感器和張力傳感器。其中，使用兩個溫度傳感器，一個安裝在冷卻系統(tǒng)的水箱中用于水溫檢測；另一個安裝在制動系統(tǒng)的液壓泵站上，用于油溫的檢測。使用一個張力傳感器安裝在張緊絞車的鋼絲繩上，用于采集鋼絲繩的張力并等效為皮帶的張力。

溫度傳感器選用型號為PT100的傳感器，該傳感器是一款鉑熱電阻型傳感器，穩(wěn)定性好、測量精度高，測量范圍為-200 ℃～+850 ℃[4]，非常適合冷卻系統(tǒng)和液壓泵站這種場合，可通過EM235模擬量輸入輸出模塊與PLC進行對接。

張力傳感器選用型號為PR6201的傳感器，量程范圍為0 t～1 t，該型號傳感器測量精度高、誤差小，可在20 ℃～80 ℃的溫度范圍內(nèi)工作[5]。張力傳感器在檢測到鋼絲繩的張力數(shù)據(jù)后，經(jīng)EM235模擬量輸入輸出模塊與PLC進行對接，PLC對檢測數(shù)據(jù)進行分析處理，并在液晶顯示單元端進行顯示，同時通過工業(yè)以太網(wǎng)向上發(fā)送到上位機監(jiān)控平臺端，以曲線形式進行顯示。

2.3 變頻器和驅(qū)動電機選型

系統(tǒng)中變頻器單元的選型非常重要。張緊絞車的電動機要求可以進行正反轉(zhuǎn)，因此采用四象限變頻器，具體選用ABB公司生產(chǎn)的ACS800-11變頻器，該變頻器在PLC的控制下可通過調(diào)節(jié)電動機的電壓頻率來實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速變化，最終實現(xiàn)皮帶的張緊。

電動機單元采用永磁同步電機PMSM的T(B)YCS-110-32/45(660/380)，采用PMSM直驅(qū)傳動方案，該傳動方案穩(wěn)定性好、效率高[6]。PMSM控制方式采用矢量控制技術，將電動機定子端電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量兩個相互正交的分量，通過分別控制這兩個分量來實現(xiàn)對永磁同步電機的控制。圖2為變頻器單元與電動機單元的控制方案框圖。

圖2 變頻器與驅(qū)動電機控制方案框圖

3 系統(tǒng)軟件方案設計

3.1 下位機程序設計

PLC是整個自動張緊系統(tǒng)的核心部分，其內(nèi)部的操作程序決定著系統(tǒng)能否正常運轉(zhuǎn)。本文采用模塊化的程序設計思想，由主程序統(tǒng)籌全局，各子程序分別實現(xiàn)自己的功能并同時相互聯(lián)系，由主程序?qū)嵭姓{(diào)用，完成系統(tǒng)功能。編程軟件采用STEP7-Micro/WIN32，各子程序采用梯形圖編程方式進行開發(fā)，方便程序調(diào)試、修改。下位機程序包括傳感器檢測子程序、液晶顯示子程序、聲光報警子程序、參數(shù)設置子程序、張力調(diào)節(jié)子程序、電動機驅(qū)動子程序和以太網(wǎng)通訊子程序等。圖3為變頻自動張緊系統(tǒng)整個工作過程的程序流程圖。

圖3 變頻自動張緊系統(tǒng)工作過程流程框圖

3.2 上位機監(jiān)控平臺設計

遠程上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)與井下的PLC主控制器進行連接，采用可應用于工業(yè)級別的控制機作為上位機，監(jiān)控平臺使用西門子公司的WinCC組態(tài)軟件進行開發(fā)[7]。通過上位機監(jiān)控平臺，工作人員可對井下皮帶運輸機的運行工況進行遠程監(jiān)測，同時可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相應控制指令的下達，提高了管理效率。監(jiān)控界面采用了界面模塊化的設計思想，平臺界面架構(gòu)圖如圖4所示。監(jiān)控平臺包括用戶界面、系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面、手動控制界面和預警界面。用戶界面可進行用戶登錄、注銷、注冊；系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面主要是對傳感器檢測的數(shù)據(jù)進行實時顯示，方便工作人員對系統(tǒng)的工作情況進行了解，同時還可以對歷史數(shù)據(jù)進行查詢；手動控制界面可以讓工作人員通過手動方式控制皮帶的松緊情況；預警界面可對歷史報警情況進行查詢，對傳感器檢測范圍進行閾值設置。

圖4 上位機監(jiān)控平臺界面架構(gòu)

4 結(jié)論

針對目前液壓自動張緊系統(tǒng)存在的缺點與不足，本文設計了一套基于PLC的自動變頻控制張緊系統(tǒng)，以溫度傳感器與張力傳感器為檢測單元，以防爆變頻器與永磁同步電機為電氣傳動設備，通過PLC主控制器進行控制，很好地實現(xiàn)了皮帶運輸機在不同工況下的皮帶張緊力自動調(diào)整。整個系統(tǒng)設計方案結(jié)構(gòu)簡單，響應速度快，具備液壓自動張緊系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢，產(chǎn)生了很好的應用效果，為煤礦生產(chǎn)帶來了一定的經(jīng)濟效益。