连续皮带机控制系统的设计及实践

2018-08-23张成月

中国设备工程 2018年16期

张成月

（北京博维航空设施管理有限公司，北京 101300）

对于连续皮带机电控系统来说，施工单位往往是成套购买国外的设备，这种外购设备涉及到的产品升级和售后等存在着较多的不便，从而影响工程施工的正常进行，为此，开展连续皮带机的自主研发对我国的工程发展具有非常重要的意义。在进行连续皮带机的电控设计过程中，其包含了PLC编程和人机界面组态等多种知识保护内容，当前对连续皮带机的电控解决方法大部分仅仅停留在结构介绍等方面，这就使得连续皮带机电控系统设计存在着较多的问题。像王志远等对连续皮带机的配套TBM出碴技术进行了研究，提出了一些自身的改善建议；在韩冰的相关论述中，对斜井隧道的连续皮带机出碴系统选型配置进行了简单的分析等。通过对这些研究内容进行整理分析，对连续皮带机的原理介绍和研究，结合实际案例设计了一套连续皮带机控制系统，该系统通过不断的完善和优化，逐渐实现了工业现场施工的稳定性。

1 控制系统总体设计研究

1.1 项目介绍

本次研究工作是在蒙华铁路白城隧道方面展开的，该隧道工程全长约3km，其采用连续皮带和转载皮带方式进行出碴任务。对于连续皮带机设备，其动力系统采用的是2台200kW的电机，在机头100m位置处安装了张紧绞车，绞车带动连续皮带机的正常运行。

1.2 控制网络的设计研究

对于控制网络，其在整个控制系统中占据着非常重要的地位，通过控制网络能够实现控制系统中各个设备之间的数据交互，在当前的工业控制网络中，其主要是通过CAN总线和Modbus总线等方式实现对所有设备的有效控制。对于不同的控制网络系统，其采用的控制方式存在着一定的差别，这是因为不同的总线控制方式具有各自的特点，像Profibus-DP总线控制系统，其是一套应用时间比较长的通信系统，但其通讯速度相对较慢；而Profinet总线采用的是以太网通讯，这种通讯方式传播速度较快，稳定性强，但其研究资料相对较少。本文研究的控制系统采用的是Profibus-DP总线控制模式。图1为网络控制结构图。

图1 网络控制结构图

通过结构分析可以发现，本次研究中采用DP作为主站，其他设备作为DP站的从站，通过光纤将连续皮带机的配电房引至洞内主控制室，从而实现连续皮带机的数据交互功能，其他设备分别承担着不同的作用。通过这一控制系统，能够实现对皮带机的启动和参数修改等。

2 PLC编程设计研究

2.1 CPU选型和IO模块确定

对于CPU选型，其是当前对系统资源进行合理配置的关键性内容，在进行选择的过程中需要对CPU的各项功能进行全面的分析，像系统工程和程序块数量限制等，通过这些资料分析选择最佳的CPU型号，针对本次研究工作，最佳的控制技术最好在西门子公司技术支持下开展，选择合理的型号对应本次研究设计。通过分析，本次选择CPU型号为CPU315-2PN/DP，这一型号采用的是384KB的RAM等组合接口，其在使用过程中能够实现32个IO模块的扩展应用，满足本次项目设计需求。对于IO模块的确定，其需要根据项目的本身规划进行总体分析，一般情况下，对于IO模块的确定，其采用的是DI和DO等类型对其进行分配。对于DI模块，其是数字量的输入模块，这一模块在选型时需要结合设备的输入点数以及按钮之间的距离等进行综合性考量。DO则是数字量输出模块，这一模块主要是对设备的外部系统进行控制，像电机和风机等，在进行选择时需要重点关注被控制系统的电压等级设计。另外的AI是模拟量输入模块，其在进行选择的过程中不仅需要考虑到传感器的点数，同时对信号的类型等也需要进行综合考量。最后的AO是模拟量输出模块，这一模块主要涉及到电压和电流2种不同的信号，在选择时需要根据被控制对象进行确认和分析。

2.2 PLC程序设计

对于PLC程序设计工作，其涉及到了皮带机设备的顺序启停和不同电机之间的功率平衡等内容，由于多电机之间的功率平衡存在着较为复杂的内容结构，在设计的过程中涉及到的内容较多，本次研究主要是针对顺序启停程序进行PLC设计工作。对于皮带机的启停功能，其主要包括起车顺序：张紧绞车-转载皮带-连续皮带-TBM主机皮带-刀盘；然后是停车顺序：刀盘-TBM主机皮带-连续皮带-转载皮带-张紧绞车。而对于急停程序来说，其在整个系统设计工作中占据着非常重要的地位，在设计的过程中需要对急停的条件和方式进行综合考虑，在急停时需要保证皮带机无论在何种状态下都能够接收到急停信号，并在接收到信号之后以最快的速度进行急停。

3 皮带综合保护系统的设计研究

在进行皮带综合保护系统设计之前，需要了解到这一系统的主要作用，对于皮带综合保护系统，其主要是为了保证高速运行的皮带持续稳定性的运行。在进行设计的过程中，需要结合隧道的出碴状况选择对应的传感器设备，通过这一系统能够保证皮带机在急停和跑偏等状况时处于良好的运行状态，防止设备受到损伤。对于煤矿的皮带机，其拉绳传感器一般情况下需要设计为40M/个，而对于隧道的皮带机拉绳，其在设计过程中并未对其安装距离进行明确的规定，在进行设计和安装时，习惯性的安装距离为100m/个，这样能够保证皮带机运行的安全性，但对于两个传感器设备之间的拉绳，其需要采用托架进行拉绳垂度调整。跑偏传感器在安装时往往采用的是成对安装方法，在皮带机的机头和机尾以及转弯位置处分别进行传感器的安装，而对于堵料传感器，其安装位置往往是在落料点的附近。对于这一传感器的安装，为了保证其正常使用，需要保证落料不会对传感器的安全造成影响。为了方便PLC编程工作的正常进行，皮带综合保护系统设计采用的是西门子IO模块，这一模块应用能够保证传感器安装的正常使用。拉绳传感器在接入时采用的是IO模块，在应用时通过IO模块对传感器的状态进行掌握。

4 多电机功率平衡

对于多电机的功率平衡系统研究，其在连续皮带机控制系统中是核心内容之一，通过这一系统设计能够决定设计的成功与否。连续皮带机在使用过程中采用的是2台型号相同的电机，在使用过程中需要保证2台电机的功率是相同的，这样才能够保证皮带机的运行稳定性和安全性。若在运行过程中两台电机的出力不同，可能会造成其中一台电机负载较大，出现发热过重的问题，另外，两台电机之间的距离较近，造成两台电机之间皮带的拉力较大，造成皮带撕裂的危险，影响皮带机的正常运行。

本研究中，针对皮带机之间的功率平衡问题，采用的是主从转矩跟随模式，这一设计方法使得电机在相同转速下的出力相同，最终通过电流数据反映两台电机的运行状况。在设计过程中将其中的一台电机作为主电机，其在工作模式下的其他电机全部为从电机，通过转矩控制将主电机的输出作为从电机的控制信号，在从电机转矩超过主电机时，系统会对从电机的转速进行调整，从而保证了两台电机之间运行的稳定性。但对于这种控制模式，其可能会造成死区问题的出现，当速度达到主电机控制的下限或者上限时，其变频器往往会保持这一状态，从而造成转矩无法实现统一，可能会出现返回转矩控制模式或者故障模式的出现等。因此，可以通过减小/增大负静带值的方法对其进行改善，从而使得主电机和从电机之间的运行保持在稳定状态。