帶式輸送機自動張緊控制系統設計

彭佳斌

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限公司，山西 大同 037000）

礦用帶式運輸機是礦井生產的核心設備，為了保證其工作效率，必須確保其傳送皮帶處于較平穩的工作狀態。皮帶輸送機在起停瞬間會受到較大的外界載荷，長時間運轉不但會引起其自身零件的磨損，而且會引起滾筒的運動，從而引起張緊力的波動和不穩定。當張緊力過小時，會造成皮帶運轉中的打滑、跑偏，當張緊力過大時，會導致皮帶斷裂、卡住。因此，保證張緊力的穩定性，是保證礦用帶式運輸機穩定工作的重要條件。利用自動化技術實現張緊力的自動調節，能夠顯著地提升工作效率。因此，本文針對DSJ-800礦用皮帶運輸機的特點，在PLC的基礎上，進行了一種基于PLC 技術的自動張力控制系統的研制，并在實際應用中進行驗證。結果表明，所設計的控制系統是可靠和穩定的。

1 常見張緊系統分析

礦山皮帶輸送機常用的張緊裝置有重力式、固定式和自動控制式。本文將分別介紹三種不同的張緊方式，并比較其優點和不足。

1.1 重力式張緊系統

重力張緊設備是指在重力的作用下，采用動/靜滑動的原理將重型錘子用鋼絲繩系在輸送皮帶的一頭，由其本身的重力帶動張緊車的運動。在重力式張緊系統正常工作的狀態下，皮帶始終保持張力，在正常運轉或停機時，能確保皮帶始終保持張力恒定，同時也能確保皮帶在運轉過程中發生變形而發生的塑性伸長。重力式張緊系統結構相對簡單，造價和后期維修費用都比較低。然而，這樣需要保證膠帶一直處于最大的張力，而長期的工作則大大減少了皮帶的使用年限。但是這種方法使皮帶始終處在最大張力狀態，長時間運轉會大大縮短皮帶的壽命。

1.2 固定式張緊方式

固定張緊方法是以螺旋式的形式來實現對滾筒的固定，以確保皮帶在運轉時的間距不會發生相對改變。當皮帶的松緊度需要改變時，首先斷開帶式輸送機的電源，然后采用人工調節的方式調整皮帶的松緊度，使得皮帶的松緊度達到適合的狀態。在人工對松緊度進調整時，調整螺旋桿在導軌上前后運動可調整滾筒的彈性。但是這種調整方法會造成很大的沖擊力，所以應著重調整滾筒上的固定螺栓，確保其工作壽命。

1.3 自動張緊方式

隨著自動控制技術的發展，推動了自動張緊裝置的應用。自動張緊裝置由傳感器、執行器、減速器、控制系統等模塊組成，圖1 對該系統的工作原理進行介紹。從圖1中可以發現，在皮帶上設置了一個張力傳感器，可以實時監測皮帶運轉時的張力，而張力調整裝置則主要是利用液壓缸往復運動來調整皮帶的張緊力，并能很好地補償由于膠帶的塑性變形引起的長度改變。這種調節方法的自動化程度較高，同時也具有良好的可操作性，可以在不需要人為干預的工作情況下改善皮帶的張緊效果，使其控制的穩定性和精確度都比較高。為此，本論文將著重于該自動拉緊裝置的設計與研究[1]。

圖1 自動式張緊系統工作原理

2 自動張緊系統結構組成

皮帶輸送機的張緊裝置主要由皮帶、張緊滾筒和張緊小車、控制器、張力產生設備、調速滾筒等構成，系統結構如圖2所示。皮帶是直接纏繞在張緊滾筒上，由兩個部件的相對摩擦驅動皮帶運動，皮帶的傳輸效率和張緊力的大小是由滾筒的慣性和摩擦系數直接決定的。張緊力產生機構是一種能帶動張緊小車向前和向后移動的液壓油缸，由于滾筒與張緊小車相連，因此滾筒會保持與張緊小車同步運動，這樣可以隨意調整帶的張緊力，由于張緊小車自身存在慣性和摩擦力，一定程度上會對張緊力產生影響。PLC是張緊力控制的核心模塊，它的高精度和合理的判斷邏輯將對整個系統的工作產生重要的影響。

圖2 自動張緊系統結構示意圖

3 帶式輸送機自動張緊控制系統設計

3.1 自動張緊控制系統原理

本文研究的自動張緊控制系統包括張力傳感器、張力顯示表、PLC控制器、驅動馬達、行程開關等部件，其系統結構如圖3所示：在整個控制期間，由控制裝置向傳送帶的起停點發出控制訊號，由張力傳感裝置對皮帶進行張力值的實時監測，通過傳送裝置將探測到的訊號轉化為電子訊號傳送至PLC 控制器；PLC 根據設定張力值與接收到的信號進行比較，并根據所設定的張力進行邏輯判定，從而產生對應的張緊起動指令，從而完成張緊電機的前后轉動方向的控制；電機根據接收到的控制信號進行驅動力的調節，并通過減速裝置后帶動鋼絲繩運動，使所述張緊小車向前或向后運動，以調整皮帶的張緊力；當張緊力調整完成后，張緊電機由內部抱鎖機構進行閉合，以確保調整后的皮帶始終保持一定的拉伸狀態和保持一定的張力[2]。

圖3 自動張緊控制系統結構框圖

3.2 硬件系統設計

3.2.1 PLC選型設計

在對自動控制系統進行充分功能需求分析的基礎上，經過綜合對比，本文最終采用ControlLogix 系列的PLC控制器。該控制器功能完善，包含通訊模塊、輸入輸出模塊、軟件編程模塊等多個模塊，采用RS485通訊方式實現各個模塊之間的通信，包括對限位、應答等信號的收集傳輸，以及對張緊電機、驅動裝置、主控電機等電器設備的驅動指令。本PLC控制器具有478KB的CPU 邏輯存儲器，85～250V 的控制供電，最高輸入功率超過110W，能夠滿足多種控制要求。同時，采用AC220V 的數字式輸出電路，并設有8 個輸入信道，可對整套控制系統中的信號進行相互隔離和點號對應，其中，張緊電機制動響應信道編號DIO302.0，電機正反向響應信道編號DIO302.2，系統故障重置響應信道編號DIO302.6。

3.2.2 張力采樣分系統設計

張力采樣分系統是整個控制裝置的關鍵部分，該系統包括三個部分：分別是張力信號的采集、傳輸、顯示。傳感器用于采集張力信號，采集到的張力信號由輸出信號線將信號傳遞至BMSP-120變送器，輸出信號線由四芯屏蔽導線構成，BMSP-120變送器收到張緊力信號后，首先對信號進行放大處理，最大可放大6倍，將其轉換為5～20mA的電信號，然后由PLC控制器進行數據運算和邏輯判定，最終將計算得到的結果上傳至上位機，然后在顯示裝置上實時顯示張力大小，便于工作人員掌握輸送機工作狀態。本文采用的張力傳感器為PR6201，在額定工作狀態下，電壓為24V，最大負載比為150%，輸入信號為0.6～3.0mV 電壓信號,輸出電流為5～20mA。該顯示儀表采用195型直流電流顯示器，能實時地顯示各種張力信號，并可進行顯示范圍的調節[3]。圖4顯示了張力采樣電路的構造。

圖4 張力采樣電路結構

3.3 控制系統驅動程序設計

該輸送機的傳動部分采用模塊化的程序設計，傳動模組選用了單相電動機，并對其封裝后的各部件進行了詳細的說明。傳送器的驅動采用了模塊化的編程，以單相電機驅動模塊作為傳送器的驅動模組，并將其封裝后的組件進行了詳細的描述。圖5為封裝后的模塊組件示意圖，在此組件中，含有各種標志信號，并由各個組件信號的互相協作和信號的接收來完成皮帶輸送機的張緊力信號采集、驅動控制信號的變換和傳輸。在該系統中，通過SS速開的信號可以獲取電動機的轉速，在接收到的電動機的信號比較小時，則系統采取必要的保護措施，保證系統安全運行；RN-Time為響應回復時間，當系統在超過設置的閾值時間仍沒有完成啟動操作時，系統則會立即發出報警信號。

圖5 單向電機驅動模塊

4 自動張緊控制系統運行效果

在DSJ-800 礦山帶式輸送機進行自動拉緊控制系統的應用，測試了啟動、運行、停機等各種工況下的皮帶拉緊性能，并對測試結果進行了分析。試驗結果顯示，該裝置的張緊力比較穩定，且在設備工況變化和載荷變化的過程中，皮帶都沒有出現打滑和跑偏，張緊小車在工作過程中狀態平穩，表明了該控制系統的性能達到設計要求。同時還可以通過顯示界面來對皮帶輸送狀況進行全天候的監控，并且可以實現高精度的顯示，可遠程對皮帶的張緊度進行自動控制。

5 結語

基于當前常見的張緊裝置，本文從總體上分析了皮帶輸送機的張緊裝置和控制系統，并從軟件和硬件兩個角度入手，對張緊系統進行了整體優化，使得系統的整體性能得到較大的提升。經過實踐應用，本系統運行平穩，控制系統可以實現張緊度的自動調節，保證了皮帶的張緊力相對平穩，運行中無打滑、跑偏等現象，驗證了本系統的可靠性。這對于提高皮帶輸送機的安全和自動化水平，延長皮帶的使用壽命起著十分重要的作用。