基于PLC 的皮帶機變頻調速張緊裝置實施與應用

暢永順

（晉能控股煤業集團同忻煤礦山西有限公司， 山西 大同 037001）

引言

皮帶機是進行物料運輸的重要設備，可進行長距離、大運量運輸，具有節能環保、壽命長的優勢。傳統皮帶機一般采用液壓自動張緊裝置，通過使用一系列液壓設備配合，可以實現皮帶張力調節，但這種液壓裝置響應速度慢，液壓設備故障率高，維修成本大。液壓設備故障后檢修時間長，影響了生產效率和經濟效益[1-2]。為此，本文采用變頻調速系統替代傳統的液壓張緊裝置，設計出基于PLC 控制器的變頻調速皮帶機自動化張緊系統。該系統通過張力傳感器的反饋數據，可自動實現皮帶的松緊調節，解決不同工況下皮帶機皮帶張緊程度的調整，響應速度快，系統穩定性高，具有很高的應用價值。

1 系統整體方案設計

以PLC 為核心控制器的皮帶機變頻調速張緊系統整體方案，如圖1 所示。整套系統由遠程上位機監控系統、PLC 控制器、變頻器、張力傳感器、張緊機械部分和皮帶機等組成。

圖1 皮帶機變頻調速張緊系統整體方案

遠程上位機監控系統由上位機、各類服務器和打印機等組成，主要完成皮帶機張力數據的遠程監控及曲線顯示、數據存儲、報表打印、故障預警以及控制指令下發等功能。PLC 控制器是核心設備，主要完成對皮帶機張力數據的運算處理并上傳給上位機，同時根據皮帶張力情況，自動調整皮帶機的張力大小，并發出控制指令控制變頻器。遠程上位機監控系統與PLC 控制器通過工業以太網進行數據通信。張緊機械部分由張緊絞車、游動小車、制動器和張緊滾筒等組成。張力傳感器負責實時檢測游動小車鋼絞繩的張力變化情況，并將其上傳給PLC 控制器。變頻器是系統的輸出執行部分，PLC 控制器會通過RS485 通信輸出不同頻率的控制信號，變頻器根據不同頻率信號輸出相應的電壓，控制張緊絞車電動機，實現調速功能。

2 硬件方案設計與選型

2.1 PLC 控制系統

作為系統的核心設備，PLC 控制系統負責各類數據信號的采集、輸出及控制信號的下發。數據采集、輸出信號包括張力傳感器張力信號、各類指示燈輸入輸出信號、變頻器頻率控制信號和聲光報警信號等，PLC 控制器選用德國西門子公司出品的S7-300 系列。整個控制系統由CPU 模塊、模擬量輸入輸出模塊、數字量I/O 輸入輸出模塊、通信功能模塊和電源模塊等組成。其中，模擬量輸入模塊負責接收張力傳感器的模擬信號，模擬量輸出模塊負責輸出變頻器頻率控制信號，開關量輸入模塊負責采集各類啟停、通斷信號，開關量輸出模塊負責輸出繼電器通斷控制信號、制動器制動信號、變頻器正反轉信號等。CPU 模塊選用的型號為CPU-318-2DP。以太網通信模塊選用CP343 通信模塊，可通過TCP/IP協議與上位機進行數據傳輸。模擬量輸入、輸出模塊選用的型號分別為SM331、SM332，開關量輸入、輸出模塊選用的型號分別為SM321、SM322[3-4]。

2.2 張力傳感器檢測模塊

本文將張力傳感器安裝于游動小車的鋼絞繩上，負責實時采集鋼絞繩的張力變化情況。選用型號為PR6201 的張力傳感器，量程為0.5～300 t，溫度工作范圍為20～80 ℃，具有高精度、過載能力強、誤差小和易于安裝等優勢。

張力傳感器在采集到張力數據后，經過模擬量輸入模塊SM331 傳輸給PLC 控制器，進行數據分析處理。為防止礦井現場各類干擾信號影響張力數據的傳輸，避免數據失真，本文設計了信號隔離電路，通過提高共模抑制比來減小測量誤差。電路采用了T1100RN 電流環隔離模塊，可對4～20 mA 電流信號進行隔離輸入輸出。張力信號隔離電路圖如圖2所示。

圖2 張力信號隔離電路圖

2.3 變頻調速模塊

變頻器屬于執行設備，接收頻率信號，輸出相應的電壓信號，控制張緊絞車電機，通過調節電機的轉速實現皮帶的張緊與松弛。PLC 控制器發出控制指令，變頻器的輸入電源一般為50 Hz、380 V 的交流電，該交流電通過整流、變頻和逆變等過程，轉換為特定電壓值的控制信號，控制電機轉動。因此，系統采用ACS800-140-7 型號變頻器，額定容量為140 kVA，額定功率為90 kW，是一款可以實現四象限運行的矢量控制變頻器，該型號變頻器由ABB 公司的變頻器改制而成，通過矢量控制方式控制變頻器工作。

3 系統軟件方案設計

軟件程序是系統運行的思想。張緊系統在運行過程中，首先需要通過對運輸機的運行速度、游動小車的張力情況進行檢測，PLC 控制器根據實際運行工況與系統預先設定的標準值進行比較判斷，然后輸出相應的頻率控制信號，控制變頻器輸出相匹配的工作電壓，實現張緊絞車的電機轉速調整。系統采用S7-300 系列專用的SIMATIC Manager 下位機編程軟件，該軟件功能強大，兼容性強，可適應各類自動化項目開發。

采用模塊化的設計思想，對張緊系統的軟件程序進行詳細設計，以主程序為主，通過統一調用的方式實現各部分功能。PLC 控制程序包括主程序、張力檢測子程序、變頻調速子程序、聲光報警子程序、以太網通信子程序和電機啟停子程序等。變頻調速張緊裝置的主程序流程框圖如圖3 所示。

圖3 變頻調速張緊系統主程序流程框圖

變頻調速子程序是系統的核心部分，這關系著皮帶機能否正常自動張緊與松弛皮帶。首先根據皮帶額定運量設定額定張力值，當張力大于1.6 倍額定張力或者小于0.8 倍張力時，系統判定皮帶機故障。當張力值位于1.0～1.2 倍額定值之間時，系統判定皮帶機運行正常。皮帶機啟動時，將張力設定為1.2 倍額定值，防止皮帶打滑。皮帶機停止時，將張力設定為0.8～0.9 倍額定值，防止皮帶機靜止時張力過低而變形。變頻調速子程序流程框圖如圖4 所示。

圖4 變頻調速子程序流程框圖

4 實際應用效果

經過一年半時間的試運行，該變頻調速張緊系統調節效果良好，皮帶機穩定運行，滿足設計需求，具有以下優點：

1）采用先進的變頻調速技術，實現了皮帶張力的自動調節，啟動、制動以及調節時響應速度快，皮帶機在啟動和制動時沖擊力小，提升了皮帶機的使用壽命。

2）利用變頻器替代傳統的液壓系統，大大降低了設備故障率，每年平均減少4.5 萬元的維護費用支出，降低了維修成本，提高了經濟效益。

3）皮帶機在啟動、制動、空載及運輸過程中均無打滑現象，未發生振動現象。

5 結語

傳統皮帶機張緊裝置采用液壓系統，存在設備故障率高、響應速度慢、維護成本高等缺點。本文設計的皮帶機變頻調速自動張緊系統，可在皮帶啟動、停止、運輸過程中按照預先設定的標準時自動實現張緊調整，響應速度快，大幅提升了皮帶機的工作性能。此外，該張緊系統設備故障率低，易于維護，具有很高的經濟性，可在本領域推廣使用。