線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)的軟硬件設計

高立強

（西山煤電集團公司設備租賃分公司， 山西 太原 030022）

引言

帶式輸送機為綜采工作面的主要運輸設備，其運輸效率直接決定工作面的生產能力和效率。實現(xiàn)帶式輸送機的高自動化、高智能化的運行對于保證其運輸效率和安全性具有重要意義。隨著工作面的不斷深入，帶式輸送機不斷朝著大運量、長距離以及高運速的方向發(fā)展，進而對其驅動裝置的功率和輸送帶的帶強提出了更高的要求。線摩擦鋼芯帶式輸送機具有可以在不提高驅動裝置功率和輸送帶帶強的基礎上實現(xiàn)帶式輸送機的長距離、高運速以及大運量的運輸需求。本文重點對線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)的軟硬件進行設計。

1 線摩擦鋼芯帶式輸送機概述

帶式輸送機輸送帶根據(jù)帶芯結構的不同可以分為織物芯輸送帶和鋼絲繩芯輸送帶。其中，織物芯輸送帶包括有尼龍芯輸送帶、維尼綸芯輸送帶、普通帆布芯輸送帶等，就其強度而言織物芯輸送帶在橫向和縱向兩個方向的強度不同[1]。鋼絲繩芯輸送帶具有較好的額動態(tài)特性，同時其粘滯特性也較弱，因此在實際中應用較為廣泛。

所謂線摩擦鋼芯帶式輸送機指的是其驅動方式為直線摩擦，其核心為在其主輸送帶中間加裝一個或多個與原帶式輸送機相同結構的短帶式輸送機作為驅動設備；通過增加短帶式輸送機輸送帶與原帶式輸送機輸送帶之間的線摩擦力實現(xiàn)對原帶式輸送機的驅動。線摩擦鋼芯帶式輸送機的基本結構如圖1 所示。

如圖1 所示，線摩擦鋼芯帶式輸送機包括有原帶式輸送機（主機）和中間增設帶式輸送機（輔機）。其中，原帶式輸送機的輸送帶為承載帶；增加帶式輸送機的輸送帶為傳送帶。采用線摩擦直線驅動方式可以降低原輸送帶的張力，繼而對輸送帶的張力要求較低。同時，采用線摩擦直線驅動方式可將頭尾驅動功率在輸送帶上分散，在某種程度上減少原輸送機的驅動功率。

圖1 線摩擦鋼芯帶式輸送機基本結構示意圖

2 線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣系統(tǒng)的硬件設計

電氣系統(tǒng)硬件是實現(xiàn)其控制功能的基礎平臺。鑒于線摩擦鋼芯輸送機的特殊性，需要對主機和輔機進行同時控制。因此，對應的電氣控制系統(tǒng)包含對主機和輔機的控制。為保證帶式輸送機高效、安全、穩(wěn)定運行，對應的電氣控制系統(tǒng)需滿足如下要求：

1）要求電氣控制系統(tǒng)的啟動時間可根據(jù)工況在一定范圍內進行調整，保證線摩擦鋼芯帶式輸送機在啟動過程中無沖擊現(xiàn)象；

2）電氣系統(tǒng)對應的啟動加速度不能發(fā)生突變，從而避免對設備造成瞬態(tài)沖擊；

3）電氣控制系統(tǒng)具備對電機溫度、輸送帶張緊、輸送帶跑偏、輸送帶打滑以及輸送帶縱向撕裂等保護功能；

4）電氣控制系統(tǒng)可將輸送帶的運行速度、保護裝置的狀態(tài)以及減速器的溫度等運行參數(shù)進行顯示，實時掌握帶式輸送機的運行狀態(tài)；

5）電氣控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對帶式輸送機就地檢修、自動以及遠程控制的功能[2]。

線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)的控制器為實現(xiàn)其功能的核心，可供選擇的控制器包括有繼電器邏輯控制器、單片機、工業(yè)控制計算機、可編程程序控制器等。鑒于綜采工作面的環(huán)境惡劣且對可靠性的要求較高，本文采用PLC 控制器為核心控制器實現(xiàn)對帶式輸送機的控制。因此，線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)的總體結構如圖2 所示。

圖2 線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)總體結構

如圖2 所示，線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣控制系統(tǒng)包括有主站、從站及其相關變頻器等。對應的控制核心為PLC 控制器，本節(jié)將重點對電氣控制系統(tǒng)PLC 控制器進行選型設計。

主站PLC 控制器為S7-300 系列，根據(jù)控制需求所配置的輸入/輸出模塊如表1 所示。

表1 主站S7-300 系列PLC 控制器輸入/輸出模塊選型

從站PLC 控制器為S7-200 系列，從站PLC 控制器對應的控制設備較少，對應PLC 控制所需的輸入輸出模塊也較少。結合輔機的控制需求，從站PLC控制器僅需配置數(shù)字量輸入模塊EM221，數(shù)字量輸出模塊EM222。

3 線摩擦鋼芯帶式輸送機電氣系統(tǒng)的軟件設計

帶式輸送機的啟動特性是保證其穩(wěn)定、高效運行的基礎。對于線摩擦鋼芯帶式輸送機的特殊性，為減少系統(tǒng)啟動階段的沖擊性和輸送帶的張緊力范圍，需對其系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。綜合對比，正弦加速度、三角形加速度、梯形加速度以及S 形加速度啟動曲線的優(yōu)劣性，采用S 形加速度啟動曲線對帶式輸送機的啟動和停止進行控制，減小了在啟動階段對系統(tǒng)造成的沖擊，保證了線摩擦鋼芯帶式輸送機的平穩(wěn)啟動和停機[3]。

3.1 主站程序的設計

對于主站而言，需對主機帶式輸送機的張緊裝置、制動裝置、變頻器等實現(xiàn)依次控制的功能；同時，還需實現(xiàn)對輸送帶跑偏、撕裂、打滑等故障的保護。結合主站的控制功能，對應的軟件設計包括系統(tǒng)的啟動和停止的控制流程，如圖3 所示。

圖3 主機控制流程圖

3.2 從站程序的設計

對于輔機而言，除了其啟動和停止控制流程與主機相類似外，結合線摩擦鋼芯帶式輸送機的驅動原理，輔機還需具備速度隨動功能，其對應的控制流程如圖4 所示。

圖4 從站速度跟隨控制流程圖

所謂速度跟隨指的是保證主機承載帶與輔機傳動帶相接觸位置的速度一致。如圖4 所示，從站速度跟隨的核心首先在于對傳動帶和承載帶速度進行對比，根據(jù)對比結果對應性的采區(qū)S 形曲線和反S 形曲線實現(xiàn)對傳動帶速度的增加或者減少[4]。

4 結語

帶式輸送機為綜采工作面的主要運輸設備，本文以線摩擦鋼芯帶式輸送機為例開展研究，在綜合分析該類型帶式輸送機的工作原理的基礎上，對其電氣控制系統(tǒng)提出了具體的要求，并詳細完成其電氣控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計。

1）線摩擦鋼芯帶式輸送機分別采用S7-300 和S7-200 系列PLC 為核心控制，并根據(jù)控制功能完成輸入/輸出模塊的設計。

2）針對線摩擦鋼芯帶式輸送機主站和從站的控制功能，采用S 形曲線實現(xiàn)對主機和輔機的啟停控制；同時，建立傳動帶和承載帶的速度跟隨控制流程。