西門子PLC 與變頻技術在煤礦皮帶輸送機控制系統中的應用研究

吳曉霞

（山西工程職業學院， 山西 太原 030032）

引言

皮帶輸送機是煤礦開采的重要生產設備，與推送小車相比，皮帶輸送機不需要進行基礎建設，對現場的生產環境適應能力強。皮帶輸送機利用輸入電流驅動發動機運轉產生同步轉速，發動機的轉動帶動皮帶輸送機的軸承產生帶動轉速，驅動皮帶圍繞軸承運轉，從而將原煤運輸到指定位置，輸送能力強，運輸距離遠。在煤礦開采的過程中，根據原煤生產情況，可以選擇一臺皮帶輸送機或多臺皮帶輸送機串聯運輸原煤。

1 智能化監控系統的研究意義

傳統的皮帶輸送機利用繼電器觸點之間接觸與分離狀態控制皮帶輸送機的啟動、停止和變速，這種方法主要依靠人機界面的各種按鈕，由工作人員控制按鈕對應的繼電器的觸點狀態，繼電器與皮帶輸送機的機械構件間使用電纜連接，電纜將繼電器發出的控制信息傳輸給相應構件，從而實現對皮帶輸送機的啟動、停止和變速進行控制。傳統的繼電器控制皮帶輸送機運轉的方法，環境適應能力差，難以做到實時調整皮帶輸送機的運轉速度，受操控人員人為因素影響，控制精度低，操作人員工作環境差。隨著二極管變頻技術和以單片機技術為基礎的PLC智能監控技術的出現，為實現智能化、自動化控制皮帶輸送機提供了技術基礎。其中，二極管變頻技術通過整流設備和變頻設備的轉換，把煤礦開采供電系統提供的50 Hz 恒定頻率的輸入電流，轉變為在0～50 Hz 內頻率可控的交流電，當皮帶輸送機的負載出現變化或發動機溫度異常、煙霧濃度過大、皮帶偏移量過大的異常情況時，變頻設備可以在PLC 智能控制設備控制下實時調整輸入電流頻率或切斷電流輸入；PLC 智能監控系統集實時監測、數據轉換、智能控制等功能為一體，主要由輸入模塊、控制模塊、輸出模塊和監測設備組成。PLC 智能監控系統實施的關鍵步驟是監測模塊監測參數和檢測參數預警值和安全限值的確定。根據煤礦開采的特點，通常將皮帶輸送機皮帶的偏移量、發動機的油溫和皮帶輸送機上的原煤是否產生陰燃釋且釋放出的可測煙霧濃度大于等于預先設定的監測值作為控制皮帶輸送機是否緊急停機的監測參數；當皮帶輸送機的負載出現變化時，PLC 智能監控系統根據負載變化情況及時調整供電系統輸入電流的頻率，實現皮帶輸送機的變頻調速。其作用過程為：監測設備實時偵測監測參數的變化，并將監測情況以電信號形式傳遞給輸入模塊，輸入模塊將接收到的監測信號轉變為數字信號傳遞到控制模塊中，控制模塊利用編程技術預先存入控制皮帶輸送機緊急停機和變頻調速的邏輯判斷語句，輸入模塊輸入的數字信號經控制模塊邏輯判斷后，從控制模塊中傳遞數字控制信號給輸出模塊，輸出模塊將數字控制信號轉換為可被識別的動作信號傳遞給電動機或變頻器，從而控制皮帶輸送機的變頻調速或緊急停機。通過聯合西門子PLC 技術和變頻技術可以實現皮帶輸送機的智能化、自動化控制，提高設備的可靠度；可以根據皮帶輸送機的負載變化調整供電系統的輸入電流頻率，提高皮帶輸送機效率，為煤礦生產節約了大量的能源；可以解放傳統的皮帶輸送機操控人員，減少了人為因素對皮帶輸送機輸煤系統的影響。

2 PLC 技術和變頻技術的作用機理及特點

2.1 PLC 技術作用機理

PLC 的作用機理如下頁圖1，主要由輸入模塊、控制模塊、輸出模塊和監測設備組成，根據模塊內I/0 點數的數量可以將PLC 控制設備分為小型機、中型機、大型機，模塊內點數的多少與監測參數的多少有關，對于皮帶輸送機的監測行為主要監測它的電動機油溫、皮帶偏移量及原煤陰燃產生的可測煙霧濃度，需要監測的參數有限，相應的PLC 模塊內的I/0 點數較少，少于256 個點數，根據現有的分類方法，煤礦井下皮帶輸送機的PLC 控制器為小型機。通過原煤運輸過程中安裝的監測設備，將監測參數實時傳遞給輸入模塊，輸入模塊將接收到的監測信號轉變為數字信號傳遞給控制模塊中，經過預先存入控制模塊的邏輯判斷語句，控制模塊把數字控制信號傳遞給輸出模塊，經過輸出模塊的轉換，將數字控制信號轉換為可被識別的動作信號傳遞給電動機或變頻器。與傳統的繼電器控制方法不同，PLC 智能控制設備以單片機技術為基礎，將傳統的人工識別過程利用編程技術轉變為大量邏輯判斷語句存入控制器中，通過對監測信號的邏輯判斷，轉變為相應的控制信號實時調整輸入電流的頻率，從而改變皮帶輸送機的轉速，實現皮帶輸送機啟動、變速、急停等運行全過程的智能化、自動化控制。根據皮帶輸送機的工作特點，通常選取皮帶輸送機的負載情況和運行狀態作為調整皮帶輸送機轉速的監測參數，選取皮帶跑偏值、電動機溫度、煙霧作為皮帶輸送機的急停信號，當皮帶輸送機負載增大或降低時，PLC 監控設備根據預先存入的判斷語句輸出相應的增大或減少供電網路輸入電流頻率的控制信號，實時調整輸入電流的頻率；當PLC 設備監測到皮帶跑偏值、電動機溫度或煙霧濃度的數值大于等于控制器中預先存入的預警值時，控制器及時控制報警裝置發出聲光報警信號，當監測到的數值超過安全限制時，控制器立刻輸出切斷供電網絡電流輸出的信號，實現皮帶輸送機的緊急制動。

圖1 西門子PLC 技術主要模塊結構

2.2 變頻技術的作用機理

變頻技術的機理是利用整流設備和變頻設備將供電網路提供的恒頻交流電轉換為頻率可控的交流電，變頻技術的結構簡圖如圖2。變頻設備的工作過程是：整流器將供電系統輸入的50 Hz 固定頻率的交流電轉變為直流電輸入變頻設備，直流電通過二極管變頻器后變為頻率可控的交流電，驅動電動機轉動產生同步轉速，進而帶動皮帶輸送機轉動產生帶動轉速。根據煤礦開采現場皮帶輸送機的工況提前選定變頻設備輸出的交流電的頻率，在西門子PLC設備的控制下實時調整供電系統輸出電流的頻率。

圖2 變頻技術結構圖

3 西門子PLC 和變頻技術在煤礦皮帶輸送機中的應用

3.1 西門子PLC 設備的特點

在煤礦井下皮帶輸送機輸送原煤的現場，選用西門子S7-1200PLC 系列結合變頻設備實現皮帶輸送機的實時監控。與其他PLC 監控系統相比，西門子S7-1200PLC 系列具有很高的防塵、防爆性能，可以很好地適用煤礦開采過程中粉塵濃度高、煤粉易燃易爆的工作環境，西門子S7-1200PLC 系列的內部零部件不會被煤粉影響，設備的抗干擾能力強，工作性能穩定。

3.2 具體應用

某礦-37101 采煤工作面，原煤塊度0～150 mm，散裝密度0.8 t/m3，運距200 m，煤礦開采過程中使用GTS-Mobcon 1 200 m×38 m 移動式輸送機運輸原煤，皮帶運輸機帶寬1 200 mm，長度38 m，驅動功率18.5 kW，輸送能力700 t/h。根據現場實際情況，設計在PLC 控制設備中，預先輸入的預警值和安全限值如表1 所示。控制設備中的皮帶跑偏值、發動機油溫和煙霧濃度判斷語句間適合的邏輯關系，當皮帶跑偏值達到10，或發動機油溫達到80 ℃時，PLC 控制報警裝置發出聲光報警信號。當皮帶跑偏值達到15、發動機油溫達到100 ℃或原煤燃燒時釋放的煙霧濃度達到5%obs/m 時，PLC 控制供電系統停止電流輸入，皮帶輸送機緊急制動。根據原煤燃燒時散發大量煙霧的物理特性和皮帶輸送機工作環境復雜的特點，選擇點型煙霧探測器監測原煤運輸時是否產生燃燒。煤礦開采的過程中供電網絡輸入的是50 Hz固定頻率的交流電，經變頻器的作用轉變為0～50 Hz頻率可控交流電，選定14 Hz、26 Hz、38 Hz、50 Hz 作為變頻器的頻率輸出，實現皮帶輸送機變頻調速。根據負載的變化，實時調整變頻器輸出的電流頻率，當皮帶輸送機的負載增大或減小時，變頻器輸出電流的頻率相應增大或減小。

表1 控制器中預先輸入的預警值和安全限值

通過現場試運行結果表明，結合西門子PLC 技術和變頻技術可以實現皮帶輸送機的智能化、自動化控制，可以實現對皮帶輸送機的遠程實時控制。控制器中的預警值和安全限值設置合理，可識別性高，能及時發現皮帶輸送機運輸原煤時的特殊情況，并通過西門子PLC 監控裝置實現緊急制動；變頻設備輸出電流的頻率選定合理，能很好地實現皮帶輸送機的變頻調速。在煤礦開采過程中，結合西門子PLC技術和變頻技術的監控系統能根據監測參數的變化及時控制皮帶輸送機動作[1-3]。

4 結論

1）通過對PLC 技術和整流技術進行了模塊化分析，結果表明整流技術是智能控制的前提，PLC 技術是智能控制系統的基礎。

2）根據皮帶輸送機運行特點，選定皮帶跑偏值、發動機油溫、煙霧濃度的預警值和安全限值，設計了一套變頻監控系統。利用變頻監控系統對某礦37101 采煤工作面皮帶輸送機的運行系統進行實時監控，結果表明，變頻監控系統明顯提高了皮帶運輸機的可靠性和安全性。