刘桂兰

(娄底职业技术学院机电工程系，湖南 娄底 417000)

目前我国使用的大功率、智能化的皮带机都以进口为主，但进口皮带机的购买价格和运行代价高.近年来，交流变频调速技术和PLC控制技术发展十分迅速，特别是变频调速、节电效果明显，价格不断降低，结合PLC控制易于实现过程自动化.因而，充分利用现有的皮带机资源并对其进行改造，主要增加电控系统功能，如变频软起、软停、调速，结合PLC进行皮带跑偏、堆料、落料的自动控制，能很好地节约成本，并能起到节能增效的作用.

1 原控制系统的介绍

我国的中小型煤矿皮带机占用比例大，大部分还能正常运行.充分利用现有设备并根据具体应用要求进行改造是节约成本、灵活应用的最佳选择.本改造系统主要以湖南娄底某一中小型煤矿的皮带机系统为载体进行技术改造.该煤矿皮带机系统是由3节皮带运送带组成.每一节皮带由一台电机带动，通过液力偶合器偶合减速来驱动主副滚筒，然后通过滚筒与皮带间的摩擦力来带动皮带运行.采用了电机的过载保护功能来进行堆料处理.对于皮带跑偏和落料问题是人工进行处理.由于液力偶合器传动的传动效率低，工频启动时启动电流冲击大和机械冲击大，皮带和液力偶合器磨损严重，经常需要更换，有时影响到煤炭的生产.对于堆料情况由于热继电器的过载保护，其灵敏度不高，有时不能及时高效地解决堆料问题，一有堆料，很有可能造成停机.整个皮带机运行必须随时配备工作人员，及时对小问题进行处理和对落料进行清理.

2 改造方案

2.1 控制系统原理图

控制系统的原理图［2－6］如图1所示.

图1 系统控制原理

整个电控系统由主控台、变频柜、PLC主机、检测装置及驱动装置构成.主控台采用技术先进、性能可靠的可编程控制器，配以压力传感器、位置传感器等检测装置，驱动滚筒、清扫器等驱动组件.同进采用3台高性能矢量控制型变频器控制3台电动机，完成皮带机运行过程中的堆料、落料、软启动、软停止、调速等各种技术问题，适当配以状态显示.每一节皮带下安装一个压力传感器，当某一皮带上的煤炭超过限定值时，相应的压力开关闭合，给PLC提供信号，通过程序分析进行堆料处理，并显示是哪一台过载.在皮带的左右装上位置开关，一旦皮带跑偏就会触发位置开关闭合，同样通过PLC分析，驱动滚筒的矫正装置进行自动矫正.在地面上安装一定高度的煤位检测装置，只要落下的煤炭到这一高度，高度位置开关闭合，通过PLC驱动清扫器进行清理.

2.2 皮带机电控系统主电路

皮带机电控系统主电路有两路独立的10 kV电源进线，经过母线再分两路进行变压，1#变压器为10 kV380 V型，给3台变频器供电，每台变频器有工频/变频切换功能(如变频器1中，KM11、K12控制变频工作，KM13切换到工频运行).然后再分别接上电动机进行控制.2#变压器为10 kV380 V型，通过低压配电给PLC柜供电，或者工艺控制供电.具体接线如图2所示.

图2 主电路图

2.3 主要设备选型及输入输出口的分配表

根据系统的具体分析，归纳出所用的设备，本系统采用日本三菱系列PLC，型号为FX2N－48MR，变频器选择三菱的FR－A540系列产品［1］.

系统控制要求:能独立启动和停止系统;具有压力过载及报警功能，工频变频切换功能，皮带跑偏处理功能，异常时能自动跳闸到工频功能及落料自动清理功能.

表1 IO口输入分配

表1 IO口输入分配

输入X000 SB1启动按钮X001 SB2 停止按钮X002 SL1 压力传感器开关1 X003 SL2 压力传感器开关2 X004 SL3 压力传感器开关3 X005 PV1 皮带左偏开关X006 PV2 皮带右偏开关X007 LK 落料上限开关X010 GP1 M1工频控制开关

X011 BP1 M1变频控制开关X012 GP2 M2工频控制开关X013 BP2 M2变频控制开关X014 GP3 M3工频控制开关X015 BP3 M3变频控制开关X016 BP1－A BP1跳闸控制X017 BP2－A BP2跳闸控制X020 BP3－A BP3跳闸控制

表2 IO口输出分配

表2 IO口输出分配

输出Y000 KM11 M1变频工作线圈Y001 KM21 M2变频工作线圈Y002 KM31 M3变频工作线圈Y003 YV1 滚筒前调装置Y004 YV2 滚筒后调装置Y005 KM13 M1工频工作线圈Y006 KM23 M2工频工作线圈Y007 KM33 M3工频工作线圈Y010 L1 1#带故障显示灯Y011 L2 2#带故障显示灯Y012 L3 3#带故障显示灯Y013 YV3清扫器

2.4 PLC和变频器组合控制的硬件接线图

根据I/O口分配表确定硬件接线，其硬件接线如图3所示［7－8］

3台皮带机拖动机M1、M2、M3分别由变频器BP1、BP2、BP3软启动、软停止、调速控制，并且有工频变频切换功能;PLC与变频器组合控制，实现皮带机的自动控制，有变频器故障跳闸后自动切换到工频运行功能和有手动切换变频工频运行等功能［9－11］.

图3 硬件接线图

2.5 软件设计

PLC的软件编程语言有梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图几种.梯形图是一种图形语言，这种语言与硬件接线图相对应(如梯形图中X000的逻辑状态取决于SB1的开、闭状态).梯形图是从继电器——接触器控制系统的电气原理演化而来，它沿用了常开触点、常闭触点、线圈、定时器及计数器等术语，增加了一些简单计算机符号.适合软件的经验设计法和逻辑设计法.系统控制要求的实现，尽量用程序来完成.可大大简化硬件设施的接线.

顺序功能流程图如图4所示，设计思路为:按下启动按钮SB1(X000)，第3节皮带电机M3(Y002)启动，延时5 s后，第2台皮带电机 M2(Y001)启动，延时5 s后第1台皮带电机 M1(Y000)启动运转，整个系统开始运行.直到按下停止按钮SB2(X001)，为防止煤炭积累在皮带机上造成过载，停止的过程中应先让第1台皮带电机停止运行，延时5 s后，第2台皮带电机停止运行，延时5 s，第3台皮带电机停止，整个停止过程就完成了.在运行中，若1号带过载，应把1号带关闭.其他按正常顺序停止.若2号带过载，1号带和2号带同时停止，其他按顺序停止.若3号带过载，应同时停止所有电机.

图4 顺序功能图

梯形图的设计步骤为:当皮带往左偏时，会使皮带左偏位置开关(X005)闭合，通过PLC控制使滚筒矫正装置前调.当皮带往右偏时，会使皮带右偏位置开关(X003)闭合，通过PLC控制使滚筒矫正装置后调(Y004).当落料到达一定高度时，会使落料上限位置开关(X007)闭合，通过PLC控制驱动清扫器工作(Y013).变频工作与工频工作转换开关3个.当打到X010、X012、X014时，3台皮带机在工频状态下工作，当打到X011、X013、X015时，3台皮带机在变频状态下工作，当变频器故障跳闸时，自动切换到工频状态下工作，不至于停机影响生产，同时用指示灯(Y010，Y011，Y012)显示是哪一台出了故障.

图5 梯形图

2.6 改造后皮带机的联机调试过程

调试经过了静态调试和动态调试，在现场先空载调试后再进行满载调试.将以上设计好的PLC程序输入到FX2N－48MR主机后，连接好输入输出分配和主电路，按照以上的步骤进行调试，适当地设置变频器的参数，调试过程全部通过，完全满足煤矿皮带机的控制要求.

3 改造后的情况

3.1 改造后的系统特点

采用变频器控制后，实现了软启动、软停止，可以根据煤料多少适当调速.若变频器有故障时，可以切换到工频运行，大大减少皮带机的机械冲击和对电网的干扰，皮带的使用寿命大有提高，故障现象大大减少，能自动解决堆料、落料、皮带跑偏等问题，真正达到了节能、灵活应用、减少人力资源和提高系统运行效率的目的.

3.2 改造后的经济效益

①节约电能;

②节约维修费用;

③有效减少人力资源;

④降低了设备的维护量;

⑤大大减少了因皮带机故障而造成的生产停工，提高了生产效益.

3.3 改造后的运行情况

①真正实现了皮带机系统的软启动，可将皮带机启停时产生的冲击减至最小;

②故障的减少、自动化的程度增高降低了设备的维护量;

③方便皮带的检修;

④节约能源，且传递效率提高5﹪～10﹪.

4 结语

对娄底这一试点煤矿的中小型煤矿皮带机改造运行以来，运行情况很好，并为适应娄底当地煤窑经济的发展作出了很大的贡献，并准备大力在我国推广.系统电控方面的改造虽然一次性投资较大，但改造后的设备大大降低了运行的故障率，提高了设备运行的稳定性和效率，减轻了工人的劳动强度，降低了日常维护成本，并可避免因误操作而引起的事故.改造过程对学生教学实践有一定的指导意义.

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