王歆儒, 李玉忠

(太原西峪煤礦,太原 030024)

基于PLC與變頻器的帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)應(yīng)用分析

王歆儒, 李玉忠

(太原西峪煤礦,太原 030024)

由于煤炭運(yùn)輸過程的不確定性,帶式輸送機(jī)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)重載啟動(dòng)、停止以及空載、輕載,操作人員排除設(shè)備故障等工作狀態(tài),造成運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行和操作人員的安全隱患?；诖?提出了一種基于PLC與變頻器的井下帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)。系統(tǒng)以PLC為控制器,變頻器軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)電機(jī),可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)及皮帶機(jī)的負(fù)荷,并與上位機(jī)的組態(tài)軟件相結(jié)合。采用了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)組建系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò),上位機(jī)采用Wincc軟件組態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)控界面,實(shí)時(shí)監(jiān)控帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮帶機(jī)及控制設(shè)備的實(shí)時(shí)保護(hù)。

帶式輸送機(jī);PLC 變頻器;實(shí)時(shí)保護(hù)

1 選題背景

本文以西峪煤礦篩選系統(tǒng)帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)為對(duì)象,分析目前帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、信號(hào)傳遞、控制方法及綜合保護(hù)的現(xiàn)狀,對(duì)西峪煤礦篩選系統(tǒng)帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)改造作出應(yīng)用分析。第一,原來篩選系統(tǒng)主膠帶輸送機(jī)采用直接啟動(dòng)方式,由于帶式輸送機(jī)啟動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間短,電機(jī)啟動(dòng)瞬間輸出扭矩大,對(duì)滾筒軸和減速器的沖擊較大,聯(lián)軸器經(jīng)常出現(xiàn)變形;第二,在重載荷啟動(dòng)時(shí),膠帶承受瞬間沖擊負(fù)荷非常大,經(jīng)常導(dǎo)致膠帶接頭出現(xiàn)撕開現(xiàn)象,同時(shí),采取繼電器控制系統(tǒng)元器件較多,線路復(fù)雜,受環(huán)境影響大,故障頻繁發(fā)生,給設(shè)備維護(hù)帶來很大麻煩;第三,采用直接啟動(dòng)方式啟動(dòng)帶式輸送機(jī)時(shí)。啟動(dòng)瞬時(shí)電流可達(dá)28 A～36 A,是正常運(yùn)轉(zhuǎn)電流的4倍～5倍,繼電器觸點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)燒蝕而導(dǎo)致缺相等故障發(fā)生,電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)、過熱現(xiàn)象出現(xiàn),給配電系統(tǒng)電網(wǎng)造成較為明顯的不穩(wěn)定性。第四,控制中心無法監(jiān)控到各條帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀況,曾導(dǎo)致操作人員在處理設(shè)備故障時(shí)開啟設(shè)備,出現(xiàn)重傷情況發(fā)生。基于以上實(shí)際情況,借鑒目前國內(nèi)先進(jìn)的集控方式及改造實(shí)踐,本文對(duì)PLC與變頻器的帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)作出應(yīng)用分析。

2 帶式輸送機(jī)對(duì)集控系統(tǒng)的要求

現(xiàn)場(chǎng)采用帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)是選用西門子S7-300PLC作為集控裝置,通過PLC作為工控機(jī)和變頻器的橋梁,對(duì)變頻器進(jìn)行控制,將生產(chǎn)線的信息包括變頻器的速度,報(bào)警等傳到工控機(jī),變頻器對(duì)PLC下達(dá)的指令進(jìn)行執(zhí)行,通過改變變頻器的輸出功率,改變變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電頻率,從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)速從零開始,緩慢增大到額定值,電機(jī)的最大電流值不超過額定電流,減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊,延長了設(shè)備的使用壽命。控制系統(tǒng)主要由 PLC控制器、工業(yè)以太網(wǎng)、傳感系統(tǒng)、MM420變頻器、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等組成。PLC與工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連,利用組態(tài)軟監(jiān)控、查詢、存儲(chǔ)和報(bào)警等功能,可以對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行集中控制,降低意外事故的發(fā)生率。各個(gè)控制單元采用數(shù)字通訊接口以滿足通訊的實(shí)時(shí)性要求。上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通訊模塊連接,對(duì)于設(shè)備級(jí)的通訊CPU 與變頻器有關(guān)的數(shù)據(jù)量通過 ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線和PLC的CPU DP通訊接口連接,控制PLC的數(shù)據(jù)采集與控制指令通過DP總線傳輸。

應(yīng)用系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC為控制,通過PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)的通信方式完成系統(tǒng)軟件和硬件之間的組態(tài)設(shè)計(jì)。在每臺(tái)皮帶機(jī)旁設(shè)有一個(gè)近控制柜,每個(gè)控制柜由一個(gè)S7-300PLC完成系統(tǒng)信號(hào)的處理,并對(duì)受控設(shè)備做出相應(yīng)的動(dòng)作。通過以太網(wǎng)通信將PLC控制臺(tái)和上位機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)集中控制。

2.1硬件配置

主皮帶帶式輸送機(jī)屬于中等負(fù)荷范疇,所以采用S7-300作為控制處理器。SIMATICS7-300PLC系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要由中央處理單元模塊(CPU)、接口模塊(IM)、功能模塊(FM)、通信處理器(CP)電源模塊(PS)和機(jī)架(RACK)等部分組成。硬件配置,見圖1。

系統(tǒng)選擇的CPU模塊為CPU 315-2DP。 CPU315-2DP具有中到大容量存儲(chǔ)器和大規(guī)模I/O接口,除此之外CPU 315-2DP還具有和PROFIBUS-DP主、從接口和RS485點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口。

圖1 PLC基本結(jié)構(gòu)組成Fig.1 PLC components

2.2PLC控制主程序工作過程

控制主程序主要用來實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器通信、程序執(zhí)行、故障自我檢測(cè)等功能。當(dāng)控制系統(tǒng)通電進(jìn)行初始化操作,當(dāng)系統(tǒng)接收到啟動(dòng)指令時(shí),會(huì)先運(yùn)行自檢程序檢測(cè)一下系統(tǒng)內(nèi)部是否出現(xiàn)故障,可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào);另一方面在應(yīng)用軟件中,應(yīng)用者可編入外圍器件的故障自我診斷程序,如果系統(tǒng)檢測(cè)到有保護(hù)異常,會(huì)發(fā)出相應(yīng)故障指示并自動(dòng)記錄,以便于及時(shí)檢查并排除故障。變頻器在調(diào)試過程中,將電動(dòng)機(jī)額定功率、額定電流、磁級(jí)數(shù)等參數(shù)已輸入控制程序。變頻器通過自帶的RS485接口與PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)通信控制,PLC控制程序可以從變頻器讀取相關(guān)信息、運(yùn)行方向、運(yùn)行頻率(轉(zhuǎn)速)、電流、電壓等參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)緩慢起動(dòng)。西門子STEP7軟件編程步驟:編程軟件的安裝;新工程的建立;分配輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn),寫出I/Q通訊分配地址表;編寫用戶程序;注釋與符號(hào)表信息;程序?qū)懭?程序調(diào)試。STEP7 硬件組態(tài)窗口示意圖,見圖2。

2.3網(wǎng)絡(luò)通訊組建上位機(jī)組態(tài)軟件選擇

網(wǎng)絡(luò)通訊組建上位機(jī)組態(tài)軟件選擇西門子WinCC6.0組態(tài)完成。EM277模塊人機(jī)界面是現(xiàn)場(chǎng)操作人員用來監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)傳感裝置,CPU315-2PN/DP通訊主站通過EM277與分站組成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò),EM277上的DP端口用來與主站DPM1交換數(shù)據(jù)。CPU315-2PN/DP上的PN端口是工業(yè)以太網(wǎng)端口,通過以太網(wǎng)交換機(jī)與上位以太網(wǎng)交換信息。PN工業(yè)以太網(wǎng)端口設(shè)定IP地址為192.168.0.1,子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。DP是現(xiàn)場(chǎng)總線端口,組態(tài)作為DP主站,站址為1,波特率為1.5 Mbit。在S7—300的硬件組態(tài)擴(kuò)展槽上擴(kuò)展了以太網(wǎng)模塊,用于S7標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖,見圖3。

圖2 STEP7 硬件組態(tài)窗口Fig.2 Hardware configuration of STEP7

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure graph of system network

2.4人機(jī)界面

上位機(jī)監(jiān)控畫面能實(shí)時(shí)顯示每條皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓值、電流值、機(jī)頭溫度值和機(jī)尾溫度值以及

皮帶機(jī)主動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒的速度等相關(guān)參數(shù)。主監(jiān)控畫面主要用于系統(tǒng)監(jiān)控,遠(yuǎn)程操作。是登入系統(tǒng)后的第一個(gè)畫面,其主要內(nèi)容包括:1)顯示各部帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓、速度等數(shù)據(jù)。2)顯示各部帶式輸送機(jī)的故障狀態(tài),并能夠在遠(yuǎn)程模式下復(fù)位故障。3)能夠在遠(yuǎn)程模式下控制帶式輸送機(jī)的啟停。4)能夠切換帶式輸送機(jī)的不同工作模式,通過上位機(jī)監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)監(jiān)控井下每條皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

當(dāng)用戶登陸上位機(jī)監(jiān)控界面的時(shí)候,點(diǎn)擊界面的“1號(hào)主皮帶機(jī)狀態(tài)”“2號(hào)大傾角皮帶機(jī)狀態(tài)”“3號(hào)筒倉皮帶機(jī)狀態(tài)”,界面就會(huì)顯示相應(yīng)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。人機(jī)界面主監(jiān)控窗口,見圖4。

圖4 人機(jī)界面主監(jiān)控窗口Fig.4 Main monitoring window of Human-Machine Interface

3 變頻器配置

變頻器的選擇應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率進(jìn)行選擇,保證變頻器的容量不小于電機(jī)輸出功率的額定值,變頻器的主回路包括交流——直流變換環(huán)節(jié):把頻率和電壓都不能變的三相交流電變?yōu)橹绷鼽c(diǎn);直流--逆變交流環(huán)節(jié):把直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率都能任意可調(diào)的交流電。變頻器的基本組成結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 變頻器的基本結(jié)構(gòu)Fig.5 Basic structure of frequency converter

MM420屬于基本通用型變頻器,配有現(xiàn)場(chǎng)總線接口,西門子MM420變頻器控制電路包括:1)數(shù)字信號(hào)處理器,主要完成電流、電壓、溫度采樣、各種故障報(bào)警輸入等;2)輸入輸出端子,外部模擬量電流輸入和模擬電壓量頻率設(shè)定輸入;3)通信端口通過一臺(tái)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器的遠(yuǎn)程控制和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控;4)操作面板,數(shù)字信號(hào)處理器通過通信端口與

操作面板連接,完成信號(hào)輸入和顯示數(shù)據(jù)輸出。

4 變頻啟動(dòng)裝置系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象及故障處理方法

PLC電氣控制柜常見故障主要有:接觸器接點(diǎn)故障、過載繼電器故障、變頻器故障、PLC故障等。變頻器的典型故障—缺相,缺相的故障現(xiàn)象主要為電流增大,電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象明顯,電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)等。故障原因:三相熔斷器或斷路器發(fā)生故障時(shí),變頻器出現(xiàn)輸入缺相現(xiàn)象。針對(duì)這些故障要做出合理的處理方法,更換熔斷器、斷路器,接觸器因頻繁動(dòng)作需要多檢查;壓力傳感器在工作時(shí),由于長期受壓,壓敏電阻疲勞損壞,要做到多檢查定期更換;變頻器的IGBT(諧波治理裝置)存在壽命問題,要定期更換?？刂瓢粹o箱常見故障主要有:按鈕觸點(diǎn)氧化絕緣故障、轉(zhuǎn)換開關(guān)故障、急停按鈕故障。這些故障的主要原因是機(jī)構(gòu)不靈活、犯卡、不復(fù)位,要盡量選用質(zhì)量好的產(chǎn)品;測(cè)量控制柜內(nèi)的溫度,用測(cè)溫儀感應(yīng)變頻器及進(jìn)出線電源端子溫度是否正常,線路連接松動(dòng)虛接,接觸不好,變頻器日常檢查的有關(guān)項(xiàng)目,如端子線的緊固、電路板的除塵除濕和風(fēng)扇檢查等方面,多檢查定期進(jìn)行維護(hù),定期更換。

[1] 向曉漢.S7-300/400PLC 基礎(chǔ)與案例精選[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 李方圓.變頻器自動(dòng)化工程實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 王成.基于PLC的礦井皮帶機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011.

[4] 姚景峰.基于PLC與變頻器的礦井通風(fēng)機(jī)集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].太原:太原理工大學(xué),2013.

ApplicationofCentralizedControlSystemofBeltConveyoronPLCandFrequencyConverter

WANGXinru,LIYuzhong

(TaiyuanXiyuMine,Taiyuan030024,China)

Due to uncertainty in coal transportation, there occur some working modes in belt conveyor frequently, which would cause security risk for equipment and staff, including heavy load start, halt, no-load, light-load, and trouble shooting by staff. The paper proposes a centralized control system of the belt conveyors based on PLC and frequency converter. With the PLC as the controlling unit and the frequency converter starting motor by soft boot, the system could dynamically modulate the load on the motor and the belt conveyor. Combined with configuration software of host computer, PROFIBUS field bus technology is used to build communication network. With the monitoring interface of Wincc software configuration system, the host computer could monitor the operation of the belt conveyor in real time, which has realized the real time protection for the belt conveyor and controlling equipment.

belt conveyor;PLC and frequency converter;real-time protection

1672-5050(2017)02-0068-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.019

2016-10-26

王歆儒(1972-),男,山西神池人，碩士,工程師，從事礦山機(jī)電工作。

TD528

A

(編輯:劉新光)