基于PLC矿用带式运输机变频控制系统设计

凌建辉，赵云峰

（盐城工学院，盐城 224051）

0 引言

带式运输机因其运载能力强，可运输距离远，同时结构相对简单等优点，常被用于煤矿井下运输工作。常用带式运输机由多个额定功率几十甚至几百千瓦的电机作为驱动，其启动会对电网造成较大的冲击，一般全天候持续运行方式，煤矿生产时通过设定运输机转速以恒定的速度运行，在短时停产状态将其设定至低转速档位，降低能源消耗[1]。运行过程不能根据运载量调整运输速度，不能发挥运输机的最大运载能力，长时间以较高运载速度运行，加剧轴承、皮带等部件的磨损；同时空载状态仅通过调至低速档位通过减速器对电机进行降速，实际电机功率未发生变化，调速仅起到降低滚筒等部件机械损耗，造成能源浪费[2]。相关学者对矿用设备控制系统进行了深入研究，目前主要有：以位移和角度传感器检测到的垂直水平位移和机身倾斜角度偏差等为输入参数实现对设备运行状态进行控制，同时基于PLC控制器设计智能控制系统，对设备工作流程、简单故障处理、部件切换等功能，能够提升设备使用效率，降低设备运行过程故障率[3]。

参考上述研究，为解决带式运输机生产过程出现的问题，本文设计一种以S7-300 PLC为控制核心的运输机自适应控制系统，实现运输机速率与采煤量的联动调整，并从电机运转频率方面对空载状态下电机转速进行优化，降低空载能量损耗[4]。

1 现有电控方案分析

原有运输机控制方案如图1所示，主要由各种保护装置、隔离开关、控制保护装置等串联构成，启动时通过接触器闭合，带动液力耦合器进行软启动，有两种控制模式，在正常生产模式下，通过人工设定运行速度，各设备由系统集中控制，联动工作完成运输任务；一种为调试模式，设备处于调试或者故障状态，可就地控制，设备之间不联动运行，通过控制接触线圈的通断电实现设备的启停[6]。控制电路中串联跑偏保护、堵塞保护、过载保护、功率保护等检测节点，是设备出现故障时能够及时切断电路并制动。

图1 原有控制方案

该控制方案优点在于电路结构简单，各组件调试、维护便捷，成本低廉，缺点在于无法根据采煤量自适应调控运输机运转速度，同时在低载或空载状态通过调至低速档位通过减速器对电机进行降速，实际电机功率未发生变化，调速仅起到降低滚筒等部件机械损耗，造成能源浪费，运输机整体自动化程度较低。

2 控制系统设计

针对原有控制系统存在的缺陷，设计一种自适应变频调速系统，以变频器作为速度调节工具，构建以PLC为核心的控制电路，实现运输机的自动控制。

2.1 变频调速方案设计

变频器通过将三相电流转换为直流电，再根据需求转换为不同频率的交流电，从而使电机不同转速[7]，变频器原理如图2所示。采用变频器进行调速优点在于，通过变频技术能够更好的实现运输机的软启动，对机械部件的冲击力小，同时可根据电流频率，根据需求实时调整电机转速实现对电机转速的控制，但变频器在电机速度低时，输出的脉冲密度比较低不能达到正弦波效果，导致电机易低速扭力不足、转速不稳和发热等问题，在运输机低转速状态时，为使电机能够保持在一个相对较高转速状态，在电机与主动齿轮之间添加减速器[8]。控制电路方面，采用主-从控制方案连接各变频器，主控变频器确定输出扭矩，并同步至从动变频器，主-从控制结构各部件连接如图3所示。

图2 变频器原理图

图3 主-从控制结构图

2.2 控制方案设计

在变频调速方案的基础上设计调速控制系统，能够实现在自动模式下实现运输机运转速度与采煤量的联动调整。整个控制系统由带PLC控制组件的控制箱、电源柜、低压配电柜、操作台组成。PLC控制箱是电控系统的核心组件，由两套S7-300的PLC作为核心处理器，整合各项运行数据，分工协作完成运输机自动运行状态下的控制；低压配电柜负责控制系统的供电，变频电源柜为运载电机供电；操作台负责显示电机、皮带等设备的运行状态及参数的预设、故障显示等功能[9]。

2.3 硬件电路设计

采用上位机和下位机协调系统架构，结构如图4所示，上位机负责控制与生产相关机电系统，通过预设的运输机转速与采煤量之间的梯形函数关系进行模糊控制，由下位机进行动态调整；下位机通过Profibus-DP现场总线与上位机相连，控制运输机所有电机、散热系统、各种传感器等，接收上位机的调度控制指令，整定PID参数，实现运输机的变频调速控制。运输机运行过程温度和电机转速等数据通过ET200M模块进行实时监测。电机变频调速采用MM430变频器，电机和变频器通过断路器QF、滤波器LB、接触器KM和电抗器L接入电网，连接如图5所示[10]。

图4 PLC系统架构

图5 电机断电路结构图

3 PLC控制系统程序设计

所有PLC控制程序采用STEP7和WinCC进行结构化程序设计，系统的各个功能模块独立编程，汇总到主程序进行调用。运输机电控系统应用程序流程图如图6所示。

图6 电控系统流程图

1）辅机启动：运输机正式启动前，保障其平稳运行的各辅机如油泵、制动系统、散热系统等需提前运行，各辅机对运输机运行至关重要，辅机正常运行是运输机启动的先决条件。

2）回路自检：各传感器、硬件、软件等安全回路启动并自检，检测各机械部件是否处于复位状态，对故障进行报警并制动，当所有故障解除后，自动解除制动。

3）启动准备：系统检测各连锁手柄是否出闭合状态，达到启动条件系统进入待机状态等待模式选择，若未达到启动条件，系统提示故障所在区域，解除故障后即可进入待机状态。

4）运行模式选择：运输机运行模式主要可分为手动调试和自动运行模式，手动模式由操作人员自行控制调整各电机的运转，自动模式下运输机由控制系统自动控制，其程序流程图如图7所示。

图7 自动模式控制逻辑图

4 控制系统验证

为验证节能控制系统的可行性，搭建模拟样机对自动控制模式下系统运行状态进行模拟测试。14调试主要可分为三个步骤，首先完成PLC控制箱、低压配电柜、变频电源柜、操作台等关键组件的接线进行检查；进一步对辅机、各个安全回路供电，检查系统的运行状态；第三步在操作台调用自动运行模式，模拟运输机在空载和不同采煤量的状态下运行情况，系统在不同负载量的情况下速度进行阶梯调整如图8所示，空载状态下速度将满负荷工作速度降低90%，大幅降低空载能量损耗[11]。

图8 负载-速度分布图

5 结语

针对现有现有运输机控制方案存在的缺点，基于S7-300 PLC控制单元设计一种节能控制系统，实现运输机运行速度与采煤量的联动调整，大幅降低运输机空载造成的能源浪费。详细阐述了自动控制系统的原理、逻辑流程、系统结构等，并通过模拟样机对系统各项功能进行验证，解决了运输机原有控制方案存在的缺陷，能够延长运输机各部件的使用寿命，降低能耗，提高了企业的经济效益。