选煤厂破碎机变频自动控制系统设计

薛 飞

（西山煤电集团有限责任公司太原选煤厂，山西太原 030023）

0 引言

煤炭作为我国重要的一次能源，其生产与处理的工艺流程受到广泛关注。随着国家提出“绿水青山就是金山银山”理念后，在环境保护方面，对煤炭后处理工艺流程的要求也越来越高[1-2]。选煤厂通过机械加工或物理化学的处理方法消除原煤中含有的有害物质，矿井下直接开采出的原煤，由于其部分体积过大，无法直接进行洗选，需要使用破碎机对其进行破碎处理[3-4]。破碎机在运行工作时，所受负载不均匀，采用传统的继电器控制方式，故障较多，尤其在全年无休的工作模式下，无法满足生产需求[5]。所以本文针对选煤厂设计了一种破碎机的变频自动控制系统，可实现破碎机的软起动，提高系统稳定性。

1 系统总体方案设计

1.1 系统结构设计

变频控制系统的总图结构如图1所示。其主要结构由PLC控制器、变频器、电机与传感器等组成，控制器与上位机之间选择CAN总线的串口通信方式实现信号的传输。为了实现变频器闭环的速度控制功能，在驱动电机的输出轴安装有速度编码器对电动机输出的转速信号进行采集。在对控制系统设计时，不仅仅要考虑控制的精度要求与速度要求，还要对系统运行时可能发生的故障进行预警、报错及显示功能，所以在系统的电机、传动部分与破碎机内安装传感器，采集系统工作的温度信号、电压信号等，PLC控制器设有人机交互界面，实现系统的控制与显示功能。

图1 系统总体结构

1.2 控制方式设计

本控制系统选用PLC控制器作为系统的核心处理器，PLC可编程控制器主要由CPU模块、电源模块、I/O模块以及通信模块等组成。PLC控制器在编译程序时较为简单，即可使用代码语言编程也可使用梯形图编程，工人在实际操作中操作简单，上手速度快。市场上PLC技术完全成熟，在工程控制领域应用广泛，不论是在编程还是在配套软件方面都具有完整的技术支持，并且具有良好的兼容性，通讯接口传输信号稳定，抗干扰能力强，在复杂环境下仍然具有稳定的工作能力，减少误差[6-7]。

系统对破碎机控制的方式选用变频驱动速度闭环控制，系统的控制原理图如图2所示。首先给系统设定1个速度值输入给PLC，控制器通过控制变频器改变电机的输入频率来改变电机的输出转速，安装在电机输出轴的速度传感器将速度信号传输到PLC控制器，构成闭环控制系统，其中速度信号的测量可使用光电编码器实现。设置光电编码器的采样周期为50 ms，即每50 ms采集脉冲1次，编码器每转发出8个脉冲，计算电机转速公式如下。

式中：n为电机的转速，r/min；Δm为单个周期内的脉冲数。

图2 系统控制原理图

本系统闭环控制环内引入了PID控制器，即比例、积分、微分环节。其中比例环节控制当前，积分环节控制过去，用来降低系统由于阶跃变化所产生的稳态误差，微分环节控制将来，计算误差的一阶导，可增加惯性控制系统的响应速度，并可有效的消除动态误差。

2 系统硬件设计

2.1 PLC与变频器选型设计

本系统PLC控制器选用西门子公司的S7-200型，S7-200型PLC控制器操作简单，适用于小型自动化控制系统，具有快速的数据处理能力；系统连接简便，组态处理方便；指令处理速度较快，缩短了系统执行命令的循环时间；最多可增加3个扩展模块，芯片集成度高，节省了系统空间；具有功能强大的编程器和编程软件[8]。S7-200型PLC具有运行和停止2种模式，当系统处于运行模式时，控制器执行用户程序来满足系统的控制要求；当处于停止模式时，处理器不执行用户程序，用户在此模式下设置系统要实现的功能，并将从编程软件创建、编辑、编译好的程序和数据传输到CPU处理器当中。除了受到控制工作模式的转换以外，系统还可以通过软件控制的方式调节控制器的运行和停止。

在对变频器选型时，考虑破碎机负载不均匀，工况恶劣，本文最终选用西门子公司生产的MM440型号变频器，其适用于高级矢量控制系统，可在负载突然变化的情况下保证高驱动性能。MM440变频器具有快速的输入响应，内部带有制动斩波器，在制动时保障设备安全稳定停止工作。PLC控制器与变频器之间的接线图如图3所示。

图3 PLC与变频器接线图

西门子S7-200型PLC控制器与MM440变频器之间采用USS通讯协议。用户可调用程序实现设备之间的通信，其编程简单、工作量小、费用低，减少了设备之间的布线，并且对硬件设备要求不高，可实现PLC控制器对变频器的连续控制与监测。

2.2 通信模块设计

调度室内的破碎机自动控制平台与PLC控制器之间采用CAN通信的方式实现信号的传输。CAN总线由得过BOSCH公司开发，并最终成为国际标准，也是目前应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种多主总线，可采用双绞线、同轴电缆等作为通信介质实现数据传输，其最大传输速度可达1MB/s。

本文设计的CAN总线接口电路如图4所示，采用了德国仪器公司生产的SN65HVD230收发器，由3.3V电压源进行供电，其适用于具有良好抗干扰能力，较高通信速率的CAN总线通信方式。SN65HVD230收发器在不同传输速率下，都能保障信号的稳定性于精确性；具有低电流模式，可降低系统运行时的功耗；具有抗瞬间干扰，保护系统的能力，具有过热保护等功能。

图4 CAN总线接口电路设计

3 系统软件设计

PLC控制系统的主程序采用子程序方式，通过梯形图进行编制，PLC控制器通过调用各个子程序发送命令实现对变频器的控制。由上文知PLC与变频器之间采用USS通讯协议实现数据的传输，当中断程序运行后，子程序将设定的速度值与命令参数等转换为USS格式，设置发送标志位，将数据传输到变频器。系统的主程序流程图如图5所示，其由初始化模块，故障监测模块，数据采集模块，通讯模块与逻辑控制等组成，其中系统的通讯模块为CAN总线的通信方式，数据采集模块包括电机转速信号的采集和电机电压、温度等信号的采集，实现系统的控制与监测保护功能。在逻辑控制模块即为启动变频器到变频器停止阶段，当达到启动电机的条件时，启动变频器进而驱动电机达到设定转速。

图5 系统主程序的流程图

4 结束语

本文设计了一种基于PLC的破碎机变频控制系统来替代传统的继电器控制方式，系统通过在电机输出轴安装编码器的方式检测电机的转速，通过引入PID控制器调节优化了动态响应，实现系统变频驱动的闭环调速控制，PLC控制器与变频器之间采用USS协议进行通讯，控制器与上位机采用CAN总线的通信方式实现数据传输，增强了系统的抗干扰能力。控制系统的应用将会降低设备工作时的消耗，实现破碎机的软起动，减少设备在受到冲击时所造成的损坏，降低了故障发生率，提高了破碎机的稳定性与可靠性。