基于PLC的矿用皮带输送机控制系统设计与应用_李强强.pdf

基于 PLC 的矿用皮带输送机控制系统设计与应用李强强（山西焦煤集团霍州煤电吕梁山煤电有限公司，山西方山033100）摘要：针对当前矿用皮带输送机在恒速运行中存在设备磨损率高和电能浪费的问题，结合矿用皮带输送机的实际运行情况进行分析，在了解皮带输送机的受力情况后设计一种基于PLC 技术且具有节能效果的控制系统。对控制系统中的硬件部分和软件部分进行设计，以期提高电能的利用率，延长皮带机的使用寿命，促进煤矿企业的健康发展。关键词：PLC 技术矿用皮带输送机节能控制系统中图分类号：TD76文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0184-02引言煤矿企业在当前的生产中，运输煤炭的主要设备皮带输送机有着维护成本低和可设计复杂运输线路的优势。随着信息时代的发展，煤矿的生产技术不断提高，对于皮带输送机的运输技术也提出了更高的要求，且随着供给侧改革的不断推进和落实，需要煤矿企业更加注重生产中的节能减排，重视皮带输送机在节能降耗方面的技术升级。结合目前带式输送机的工作特点，存在着设备磨损和电能浪费的问题，需要结合 PLC技术对运输机的节能控制系统进行研究。1PLC 基本结构及设计1.1PLC基本结构目前我国生产可编程逻辑控制器的厂家有很多，在生产厂家较多的背景下，各自生产和设计的控制器结构也存在差别，不过主要的结构组成基本一致。在可编程逻辑控制器的基本结构组成上，基本包含着CPU 处理器、输入设备、输出设备、存储器、I/0 扩展接口、外围设备接口和电源等，具体如图 1 所示 PLC 基本结构组成。1.2设计原理及分析矿用皮带运输机的运行原理是将电动机作为驱动装置，在减速器的降速增扭下带动驱动滚筒完成转动，从而借助输送皮带完成承载和运输物料的工作。在矿用皮带运输机系统中，一般包含着皮带、电机、托辊、减速器、综合保护装置和控制系统等设备。矿用皮带运输机会在安装初期结合煤矿的生产需求和运载量对整体的速度、功率等参数进行调整和设计。当皮带运输机正常工作时，电机会处于工频运行状态，且皮带保持着恒定的速度，不过从实际的运输机工作情况看，受到开采条件的限制和周围环境的影响，皮带的运行状况不稳定，有着负载波动大和设备损耗严重的问题。为此，需要对矿用输送机的运行阻力进行分析，结合设备运行中的阻力产生原因和作用效果，可以分为基本阻力、附加阻力和倾斜阻力三种。在基本阻力中，对于设备的运行影响较大，且在所有阻力中占比较大，主要集中在输送机的中部。在阻力构成上由压陷阻力、托辊运行阻力和物料挤压阻力等部分组成。在附加阻力中，阻力主要来自于设备各零件之间的摩擦变形，例如改向滚筒发生转动时，会出现材料变形阻力、煤矿下落在皮带上的冲击阻力和驱动滚筒的摩擦阻力等。在倾斜阻力中，主要由矿用输送机装载部位和卸料部位的高度差引起，在输送线路和地面产生倾角后，会形成设备的倾斜阻力。因此需要基于 PLC技术对矿用皮带输送机的控制系统进行设计，从而降低电能的消耗和设备的磨损率。2节能控制系统的设计方案矿用皮带输送机节能系统设计方案如下页图 2所示，其系统主要由传感器模块、上位机、PLC 控制器、变频器和电参数信号采集器等装置组成。具体而言，PLC 是整个控制系统的核心模块，主要负责对各传感器所传输的数据信号进行接收，在利用逻辑运算和数据分析后，可以对变频输出进行控制，进而实现收稿日期：2022-03-11作者简介：李强强（1984），男，山西方山人，本科，毕业于山西大学电器工程及其自动化专业，助理工程师，从事煤矿机电运输技术管理工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.072图 1PLC 基本结构组成编程器上位计算机图形检测系统打印机EPROM写入器盒式磁带机条码判读器通信接口存储器CPU电源外围设备接口I/O扩展接口I/O扩展单元输入接口输出接口输入设备输出设备自动化系统设计2023 年第 2 期矿用皮带输送机的变频控制，同时也有着以太网通信模块，可以和上位机完成数据传输。上位机主要负责对矿用皮带输送机的实时工作状态进行检测，同时也能监测实际的参数信号，有利于相关人员进行统一调度，由计算软件和组态软件组成。变频器是该系统的关键组成部分，利用 PLC 控制变频器的输出频率，可以调节电机转速，进而实现节能调速。电参数信号采集模块需要对矿用皮带输送机的运转电流、功率和电压等电参数信号进行检测，为变频控制和故障诊断提供必要的数据支持。传感器模块主要分跑偏传感器、速度传感器、温度传感器、煤位传感器和烟雾传感器等，主要对皮带输送机的运行模拟信号进行测量。3PLC 控制系统的软件设计和应用软件系统主程序流程如图 3 所示，在系统完成初始化后，会分别落实系统自检子程序、串口通信子程序、信号采集子程序和故障诊断子程序。同时系统会结合称重传感器上的数据分别进行三种调速方式的控制使用，这样可以起到节能减排的效果。4PLC 控制系统的硬件设计和应用在 PLC 控制系统中，主要的硬件设备包括综合保护装置、处理器、变频器、传感器模块和电参数信号采集器组成。4.1处理器和变频器的选型可编程控制器作为皮带输送机控制系统的核心，有着信息采集、人机交互功能和故障判断等功能，结合控制系统中输入和输出点的分配要求，可以选用某公司生产的 Q 系列可编程控制器，该系列有着扩展模块数量多和功能齐全的作用，能够结合远程控制模块使用，同时该控制器还有着工作稳定和空间小的特点。另外，可编程控制器还有着 CC-LINK 模块，可以很大程度降低员工的程序编译时间，且能有效降低扩展开发上的难度。在矿用皮带输送机的控制系统中，变频器的利用可以选择 SIMOVERTMV 变频器，其电路图如图 4 所示。通过 SIMOVERTMV变频器在矿用皮带输送机控制系统中的应用，可以有效实现对电机转速的调节控制。变频器有整流器、直流母线和逆变器等。整流器是由两个三相二极管搭接而成，其工作主要是将输入的交流电源整流为直流电源；在逆变器中，主要由 6 个 IGBT 模块组成，能够将直流电源持续逆变为控制系统所需要的交流电；在直流母线中，具体由晶闸管和电容器与组成，主要负责传输整流之后的直流电流。4.2传感器模块的选型在皮带输送机控制系统中，传感器模块的选型至关重要，需要通过传感器完成各类数据的检测和传输，在组合上主要有跑偏传感器、速度传感器、烟雾传感器、温度传感器和煤位传感器等，能对皮带输送机的运行过程进行全方位的数据检测和记录。具体而言，速度传感器主要利用光电传感器，在组成上由探头和摩擦滚筒组成，一般会安装在皮带的背面，通过重力作用跟皮带贴附，在优势上有着抗干扰能力强和测速精度高等，在作用上主要对皮带的运行速度进行检测，同时结合速度判断皮带是否出现超速和打滑等问题；烟雾传感器主要利用矿用气敏型探头，当检测到烟雾区域的浓度大于 0.15 mg/m3时，传感器会自动完成报警动作；跑偏传感器主要利用 CEJ4 装置，需要安装在输送机首尾部，如果皮带线路较长，需要每隔300 m 安装一组，这样可以对皮带的运行位置进行充分检测，在皮带偏移中心线超过 12时，该装置会完成自动报警动作；煤位传感器主要利用机械式结构，通过凸轮装置对煤仓的煤位进行检图 2皮带输送机控制系统总体方案图 3软件系统主程序流程图 4SIMOVERT MV变频器主电路图测重传感器温度传感器烟雾传感器跑偏传感器煤位传感器速度传感器PLC控制器变频器电参数信号采集电参数信号采集上位机系统初始化系统自检子程序串口通信子程序信号采集子程序故障诊断子程序调速方式 A调速方式 B调速方式 C煤料1 kg？1 kg 煤料5 kg？煤料5 kg？三电平逆交器整流器直流电压环节C1C2V2V3V4V10YVW3VW4VW2VW1M3（下转第 188 页）李强强：基于 PLC的矿用皮带输送机控制系统设计与应用185机械管理开发第 38 卷采用自适应控制系统对循环流化床锅炉进行控制，可以提高控制的精确性及稳定性，提高设备的环保性能，提高电力供应的稳定性。参考文献1夏建财，张树江，徐永磊.循环流化床锅炉优化控制系统应用J.中国氯碱，2022（4）：41-44.2佟春海，佟润东.双床循环流化床锅炉除渣自动控制系统模型J.能源科技，2022，20（1）：90-92.3于斌，董岩峰，李文军，等.大型燃煤电站循环流化床锅炉运行问题及应对措施J.能源科技，2021，19（5）：60-64.4赵洋，肖康.SNCR 脱硝技术在循环流化床锅炉的应用及优化J.化工管理，2021（23）：57-58.5季海龙.300 MW循环流化床锅炉烟气余热回收节能改造技术探究J.中国设备工程，2021（14）：184-185.6陈明淑，贠卫国.模糊自适应 PID 控制在循环流化床锅炉主蒸汽压力中的应用J.工业控制计算机，2013，26（8）：44-46.7张华，岳中石，徐爱东，等.300 MW循环流化床锅炉燃烧控制策略J.电站系统工程，2010，26（6）：69-71.8韩璞，周鹏远，张伦.循环流化床锅炉燃烧系统优化控制研究J.山东电力技术，2016，43（12）：67-71.9王蓝珏，张毅杰.循环流化床锅炉自动控制系统的设计分析J.通讯世界，2015（21）：282.10李洲宇.300 MW循环流化床锅炉模拟量控制系统的研究J.中国仪器仪表，2015（2）：30-33.11柴海丽.循环流化床锅炉控制系统的分析与设计J.中小企业管理与科技（下旬刊），2014（1）：229-230.12王立红，秦成果，王彪，等.循环流化床锅炉燃烧控制系统稳定性提高方法探讨J.内蒙古电力技术，2013，31（5）：48-51；56.（编辑：李俊慧）Design and Analysis of a Combustion Adaptive Control System for Circulating Fluidized BedBoilersWang Weiguo（Wuyang Thermal Power Plant,Shanxi Luan Mining(Group)Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046000）Abstract:The control process of circulating fluidized bed boiler is complex and strongly coupled.For the control of the combustionprocess,an adaptive control system is designed and MATLAB is used for the simulation analysis of the control performance.The resultsshow that the tracking performance and anti-disturbance performance of the adaptive control system are greatly improved compared withboth PID control and fuzzy control,which can reach the stable value faster and have smaller overshoot,and can restore stability quicklywhen subject to disturbance.Key words:circulating fluidised bed boiler;adaptive control;tracking performance;anti-disturbance performance测，当煤料的倾角超过 30后，该装置会完成自动报警动作，同时进行清扫动作；温度传感器主要利用集合测温装置，能设定具体的报警温度和警示