选煤厂皮带机自控系统的研究与设计

靳伟义

（大同煤矿集团有限责任公司煤炭洗选分公司，山西大同 037001）

0 引言

带式输送机是连续输送机械的一个类别，以输送带为承载机构，利用托辊、滚筒与皮带之间的摩擦力传递电机的扭矩，以达到连续输送物料的目的[1]。皮带机可将各种粉状、颗粒与块状物料通过一定的输送线路，从一个装载定点运输到卸载定点，在各工程领域都有着广泛的应用[2-3]。选煤厂是煤炭加工的最后，也是最重要的一个场所，分选加工的好坏对煤炭的燃烧效率与有害气体排放量息息相关，皮带机作为选煤厂中运输煤料的机械设备，其工作效率、安全可靠性对选煤加工有着重要的影响[4-5]。本文针对选煤厂的工作特点，设计了一种基于PLC控制的皮带机自动控制系统。

1 带式输送机阻力分析

带式输送机主要由输送带、驱动滚筒、改向滚筒、上下托辊与控制系统等组成，其工作原理图如图1所示。带式输送机在运输物料的过程中，各部件内部或与物料之间会产生相互作用力，把这些相互作用力统称为运行阻力。根据运行阻力对带式输送机的影响程度，可将其分为主要阻力、提升阻力、附加阻力和特殊阻力4类[6]。主要阻力对皮带机的影响最大，主要产生于皮带机的承载段，提升阻力和附加阻力对皮带机的影响程度相对较小，特殊阻力则需要结合皮带机的工作实况决定。

图1 带式输送机工作原理图

皮带机的主要阻力是由于在输送煤炭的过程中，物料与皮带和托辊之间不断地摩擦、挤压造成的。根据作用力产生原因的不同，可以分为与皮带张力有关的主要阻力，与托辊转速相关的主要阻力。与皮带张力相关的阻力一般包括皮带挤压阻力、物料挤压阻力、皮带弯曲阻力和物料弯曲阻力等。与托辊转速相关的阻力一般包括托辊运行阻力和托辊弯曲阻力[7]。皮带机所受主要阻力的计算公式为：

式中：f为皮带的摩擦因数；L为输送距离，m；g为重力加速度，取9.8 m/s2；q0与qv分别为上、下托辊单位长度的质量，kg；q为皮带单位长度的质量，kg；qB为单位长度皮带上输送煤料的质量，kg；β为皮带机的倾斜角度，（°）。

提升阻力的主要影响因素是运输线路的倾斜角，倾斜角越大阻力越大。提升阻力的计算公式为：

选煤厂皮带输送机的实际工况，相对于井下环境要简单一些，相应的辅助设备较少，附加阻力与特殊阻力在整体中所占比值很小，可以忽略不计。

2 系统总体方案

2.1 皮带机驱动装置选型

皮带输送机的驱动装置主要有笼型电动机直接驱动、直流电动机驱动、绕线交流电动机与交流电机变频驱动等类型。根据选煤厂的实际工况，对皮带机的启动性能、制动性能及负载均衡能力综合对比分析后，系统采用交流电机变频驱动的方式。皮带机总功率为：

式中：Pk、PH、PT分别为皮带机的空载功率、驱动功率与提升功率，单位为kW，计算公式分别如下：

2.2 控制方案设计

本文设计的选煤厂皮带机自动控制系统，主要由上位机、PLC控制器、变频器、故障报警装置与各类监测传感器等设备组成。上位机安装于工控室内，通过以太环网与PLC控制器连接，方便工作人员通过上位机的人机交互界面对皮带机的状态进行监测。PLC通过PROFIBUS通信协议传输数据指令到变频器，变频器通过改变电机的输入频率大小，控制电机的转速变化。

3 控制系统硬件

3.1 系统控制器结构设计

选煤厂皮带机自控系统的控制器结构如图2所示，主要由PLC的核心CPU、综合保护装置、变频器与各监测传感器组成。其中，各监测传感器实时监测皮带机的运行工况，监测皮带机的速度信号、温度信号与其他故障信号等，将信号通过数模转换传输到CPU处理器中，经过处理器计算分析，判断皮带机是否故障，控制综合保护装置对皮带机的故障进行修正。系统通过监测皮带机的速度信号与物料信号等，通过变频器控制电机的转速，形成负反馈闭环控制，保障皮带机的正常运行。

图2 控制系统硬件结构图

3.2 PLC控制器与变频器选型

选煤厂皮带机系统的控制器主要完成3个功能：（1）实时采集皮带机的温度信号、速度信号等数据；（2）依据监测到的数据，判断皮带机的运行工况，是否故障等，并自动报警或停机处理；（3）人机交互，可将数据通过以太网实时传输到上位机，方便工作人员监测，并通过上位机对皮带机的启动、停止等进行控制。

通过综合考虑性能要求与经济成本，本文选用西门子公司S7-300控制器，具体为CPU315-2DP型号。本文选择的变频器型号为矢量控制方式的SIMOVERT MV变频器，SIMOVERT MV变频器为西门子公司研发生产的全数字、矢量控制方式的变频器，可控制三相异步交流电动机的电压范围为2.3～6.6 kV。通过SIMOVERT MV变频器驱动电动机，具有驱动系统平稳、启动电流小、功率因数高，可软起动等优点，SIMOVERT MV变频器可实现平稳的无级调速，调速精度较高，速度同步好，传动效率高，功率损耗小[8]。

3.3 综合保护装置设计

根据带式输送机的系统保护要求，系统必须具有综合保护装置，具体包括防跑偏装置、防打滑装置、防断带装置、防纵向撕裂装置等。本文中采用ZJZ-127S煤矿带式输送机综合保护装置，采用双音频传输技术传输皮带机的运行状态，显示较为直观。ZJZ-127S综合保护装置可实现保护功能有：速度保护、堆煤保护、跑偏保护、烟雾保护、温度保护、沿线紧急停车保护等。

4 控制系统软件

本文通过西门子STEP7软件编写PLC的控制程序。STEP7使用SIMATIC管理器选煤厂的皮带机进行控制管理，可实现系统功能参数配置、故障诊断、自动控制功能。STEP7软件所使用的编程语言有语句表、梯形图和功能表3种，初学者通过梯形图编程，规则简单，易掌握，利于后期的扩展开发。STEP7软件可实现离线状态下的程序编译和储存，具有较高的工作效率，系统部分软件程序如图3所示。

图3 STEP软件编程图

图4 系统软件主程序流程图

本文对系统的主程序流程图进行了设计，如图4所示。系统初始化后，进行自诊断，系统无故障后运行数据采集子程序，启动皮带机，对皮带机的速度进行负反馈变频调速控制，综合保护系统对皮带机的故障进行监测，当系统发生故障后，报警装置报警，并对皮带机进行停机维护处理。

5 结束语

本文设计了一种基于PLC的选煤厂皮带机自动控制系统，可实现速度的负反馈变频调速控制，具有较高的可靠性，保障皮带机的工作效率，满足选煤厂的日常生产要求。