皮带运输机自动变频控制张紧系统的设计

刘 飞

(阳煤一矿 机电工区，山西 阳泉 045008)

0 引言

皮带运输机是煤矿开采过程中的重要运输设备，扮演着不可或缺的角色。目前大型、长距离的皮带运输机张紧系统多采用液压自动张紧装置，将液压缸作为执行元件，配合张紧小车与慢速绞车，可实现皮带运输机在不同工况下皮带张紧力的自动调整，解决了皮带的打滑、松弛等问题。但是液压自动张紧装置过于复杂、设备故障率高，发生故障时排查周期长，检修难度大，同时装置响应速度也相对较慢，难以满足煤矿生产的需求[1，2]。

针对上述存在的问题，本文对皮带运输机中的液压自动张紧装置进行了优化改造，提出了一种基于PLC的自动变频控制张紧系统，使用防爆变频器代替原有的液压油缸，通过PLC控制防爆变频器进而控制慢速绞车的电动机，最终实现皮带运输机在不同工况下的皮带张紧力自动调整，解决了液压自动张紧装置的缺点与不足。

1 皮带运输机自动变频控制张紧系统总体架构

皮带运输机自动变频控制张紧系统的总体架构如图1所示。整个系统包括上位机监控平台、PLC、传感器检测单元、液晶显示单元、按键输入单元、变频器单元、电动机单元、张紧绞车、冷却系统和制动系统等。其中，防爆变频器在长时间工作过程中，由于自身温度不断升高可能导致其不能正常工作，因此冷却系统负责对防爆变频器进行降温；冷却系统中存在降温水箱，温度传感器负责对水箱中的水温进行检测，实现温度预警，为电控系统的工作提供条件；张力传感器负责对张紧绞车附属的钢丝绳进行张力检测，并传输给PLC；液晶显示单元负责实现检测数据的实时显示；声光报警单元负责温度和张力的超限预警；按键输入单元负责设定温度和张力的阈值范围；PLC负责对传感器传输的检测数据进行分析处理并下发控制指令，同时需要将相关信息上传到上位机监控平台，方便远程工作人员进行监控；上位机监控平台通过工业以太网与PLC进行通讯实现远程监控；变频器通过调节频率实现对张紧绞车电动机的调速控制。

图1 皮带运输机自动变频控制张紧系统总体架构

2 系统硬件方案设计

2.1 PLC选型

井下皮带运输机工作环境复杂，根据环境及功能需求，选用西门子S2-700系列PLC作为主控制器，该系列PLC具有丰富的指令集，抗干扰能力强，功能强大，非常适用于井下工作[3]。PLC的中央处理器模块选用CPU226，该模块具有很强的扩展功能，根据张紧系统的功能需求，系统扩展一个EM235模拟量输入输出模块和一个以太网通讯模块。

2.2 传感器选型

本文使用了两种传感器，分别为温度传感器和张力传感器。其中，使用两个温度传感器，一个安装在冷却系统的水箱中用于水温检测；另一个安装在制动系统的液压泵站上，用于油温的检测。使用一个张力传感器安装在张紧绞车的钢丝绳上，用于采集钢丝绳的张力并等效为皮带的张力。

温度传感器选用型号为PT100的传感器，该传感器是一款铂热电阻型传感器，稳定性好、测量精度高，测量范围为-200 ℃～+850 ℃[4]，非常适合冷却系统和液压泵站这种场合，可通过EM235模拟量输入输出模块与PLC进行对接。

张力传感器选用型号为PR6201的传感器，量程范围为0 t～1 t，该型号传感器测量精度高、误差小，可在20 ℃～80 ℃的温度范围内工作[5]。张力传感器在检测到钢丝绳的张力数据后，经EM235模拟量输入输出模块与PLC进行对接，PLC对检测数据进行分析处理，并在液晶显示单元端进行显示，同时通过工业以太网向上发送到上位机监控平台端，以曲线形式进行显示。

2.3 变频器和驱动电机选型

系统中变频器单元的选型非常重要。张紧绞车的电动机要求可以进行正反转，因此采用四象限变频器，具体选用ABB公司生产的ACS800-11变频器，该变频器在PLC的控制下可通过调节电动机的电压频率来实现电动机的正反转及转速变化，最终实现皮带的张紧。

电动机单元采用永磁同步电机PMSM的T(B)YCS-110-32/45(660/380)，采用PMSM直驱传动方案，该传动方案稳定性好、效率高[6]。PMSM控制方式采用矢量控制技术，将电动机定子端电流分解为励磁分量和转矩分量两个相互正交的分量，通过分别控制这两个分量来实现对永磁同步电机的控制。图2为变频器单元与电动机单元的控制方案框图。

图2 变频器与驱动电机控制方案框图

3 系统软件方案设计

3.1 下位机程序设计

PLC是整个自动张紧系统的核心部分，其内部的操作程序决定着系统能否正常运转。本文采用模块化的程序设计思想，由主程序统筹全局，各子程序分别实现自己的功能并同时相互联系，由主程序实行调用，完成系统功能。编程软件采用STEP7-Micro/WIN32，各子程序采用梯形图编程方式进行开发，方便程序调试、修改。下位机程序包括传感器检测子程序、液晶显示子程序、声光报警子程序、参数设置子程序、张力调节子程序、电动机驱动子程序和以太网通讯子程序等。图3为变频自动张紧系统整个工作过程的程序流程图。

图3 变频自动张紧系统工作过程流程框图

3.2 上位机监控平台设计

远程上位机通过工业以太网与井下的PLC主控制器进行连接，采用可应用于工业级别的控制机作为上位机，监控平台使用西门子公司的WinCC组态软件进行开发[7]。通过上位机监控平台，工作人员可对井下皮带运输机的运行工况进行远程监测，同时可以根据监测数据进行相应控制指令的下达，提高了管理效率。监控界面采用了界面模块化的设计思想，平台界面架构图如图4所示。监控平台包括用户界面、系统状态显示界面、手动控制界面和预警界面。用户界面可进行用户登录、注销、注册；系统状态显示界面主要是对传感器检测的数据进行实时显示，方便工作人员对系统的工作情况进行了解，同时还可以对历史数据进行查询；手动控制界面可以让工作人员通过手动方式控制皮带的松紧情况；预警界面可对历史报警情况进行查询，对传感器检测范围进行阈值设置。

图4 上位机监控平台界面架构

4 结论

针对目前液压自动张紧系统存在的缺点与不足，本文设计了一套基于PLC的自动变频控制张紧系统，以温度传感器与张力传感器为检测单元，以防爆变频器与永磁同步电机为电气传动设备，通过PLC主控制器进行控制，很好地实现了皮带运输机在不同工况下的皮带张紧力自动调整。整个系统设计方案结构简单，响应速度快，具备液压自动张紧系统所没有的优势，产生了很好的应用效果，为煤矿生产带来了一定的经济效益。