选煤厂皮带机自控系统的研究与设计.pdf

收稿日期2019－12－09 选煤厂皮带机自控系统的研究与设计 靳伟义 （大同煤矿集团有限责任公司 煤炭洗选分公司， 山西大同037001） 摘要针对国内选煤厂皮带机的实际工况，设计了一种基于PLC控制的皮带机自控系统。对选煤厂皮带机运行过程中所受到的阻力进行分析，研 究得到系统的总阻力，再通过功率计算公式得到驱动皮带机运转的总功率。对皮带机控制系统的整体方案进行设计，对系统的硬件结构，包括 PLC控制器与变频器、综合保护装置进行了研究设计。对系统的软件主程序流程图进行了设计，通过STEP7软件对皮带机的运行程序进行编译。 自动控制系统可实现皮带机的变频调速功能，综合保护装置的可靠性较高，保障皮带机的运行效率与运行安全。 关键词选煤厂；皮带机；PLC；变频调速 中图分类号TP273文献标志码A文章编号1009－9492 2020 05－0120－03 Research and Design of Belt Conveyor Automatic Control System in Coal Preparation Plant JIN Weiyi （Coal Washing Branch, Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037001, China） AbstractAimed at the actual working conditions of domestic coal preparation plant belt conveyors, a belt conveyor automatic control system based on PLC control was designed. The resistance encountered during the operation of the belt conveyor in the coal preparation plant was analyzed, and the total resistance of the system was researched. The total power for driving the belt conveyor was obtained through the power calculation ula. The overall scheme of the belt conveyor control system was designed, and the hardware structure of the system was researched and designed, including the PLC controller and inverter, and the comprehensive protection device. The system software main program flowchart was designed, and the running program of the belt conveyor was compiled by STEP7 software. The automatic control system could realize the frequency conversion and speed regulation function of the belt conveyor, the reliability of the comprehensive protection device was high, and the operation efficiency and safety of the belt conveyor were guaranteed. Key wordscoal preparation plant; belt conveyor; PLC; frequency conversion speed regulation DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 05. 043 第49卷第05期Vol.49No.05 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 靳伟义. 选煤厂皮带机自控系统的研究与设计［J］. 机电工程技术，2020，49（05） 120-122. 0 引言 带式输送机是连续输送机械的一个类别，以输送带为承 载机构，利用托辊、滚筒与皮带之间的摩擦力传递电机的扭 矩，以达到连续输送物料的目的[1]。皮带机可将各种粉状、颗 粒与块状物料通过一定的输送线路，从一个装载定点运输到 卸载定点，在各工程领域都有着广泛的应用[2-3]。选煤厂是煤 炭加工的最后，也是最重要的一个场所，分选加工的好坏对 煤炭的燃烧效率与有害气体排放量息息相关，皮带机作为选 煤厂中运输煤料的机械设备，其工作效率、安全可靠性对选 煤加工有着重要的影响[4-5]。本文针对选煤厂的工作特点，设 计了一种基于PLC控制的皮带机自动控制系统。 1 带式输送机阻力分析 带式输送机主要由输送带、驱动滚筒、改向滚筒、上下 托辊与控制系统等组成，其工作原理图如图1所示。带式输送 机在运输物料的过程中，各部件内部或与物料之间会产生相 互作用力，把这些相互作用力统称为运行阻力。根据运行阻 力对带式输送机的影响程度，可将其分为主要阻力、提升阻 力、附加阻力和特殊阻力4类[6]。主要阻力对皮带机的影响最 大，主要产生于皮带机的承载段，提升阻力和附加阻力对皮 带机的影响程度相对较小，特殊阻力则需要结合皮带机的工 作实况决定。 皮带机的主要阻力是由于在输送煤炭的过程中，物料与 皮带和托辊之间不断地摩擦、挤压造成的。根据作用力产生 原因的不同，可以分为与皮带张力有关的主要阻力，与托辊 转速相关的主要阻力。与皮带张力相关的阻力一般包括皮带 挤压阻力、物料挤压阻力、皮带弯曲阻力和物料弯曲阻力 等。与托辊转速相关的阻力一般包括托辊运行阻力和托辊弯 曲阻力[7]。皮带机所受主要阻力的计算公式为 FHfLg[]q0qv2qBq cosβ （1） 式中f为皮带的摩擦因数；L为输送距离，m；g为重力加速 度，取9.8 m/s2；q0与qv分别为上、下托辊单位长度的质量， kg；q为皮带单位长度的质量，kg；qB为单位长度皮带上输送 煤料的质量，kg；β为皮带机的倾斜角度， （） 。 提升阻力的主要影响因素是运输线路的倾斜角，倾斜角 图1带式输送机工作原理图 120 越大阻力越大。提升阻力的计算公式为 FTtanβLqqB （2） 选煤厂皮带输送机的实际工况，相对于井下环境要简单 一些，相应的辅助设备较少，附加阻力与特殊阻力在整体中 所占比值很小，可以忽略不计。 2 系统总体方案 2.1 皮带机驱动装置选型 皮带输送机的驱动装置主要有笼型电动机直接驱动、直 流电动机驱动、绕线交流电动机与交流电机变频驱动等类 型。根据选煤厂的实际工况，对皮带机的启动性能、制动性 能及负载均衡能力综合对比分析后，系统采用交流电机变频 驱动的方式。皮带机总功率为 PPkPHPT （3） 式中Pk、PH、PT分别为皮带机的空载功率、驱动功率与提 升功率，单位为kW，计算公式分别如下 Pkmgfv （4） PHFHv/1 000 （5） PTFTv/1 000 （6） 2.2 控制方案设计 本文设计的选煤厂皮带机自动控制系统，主要由上位 机、PLC 控制器、变频器、故障报警装置与各类监测传感器 等设备组成。上位机安装于工控室内，通过以太环网与PLC 控制器连接，方便工作人员通过上位机的人机交互界面对皮 带机的状态进行监测。PLC通过PROFIBUS通信协议传输数据 指令到变频器，变频器通过改变电机的输入频率大小，控制 电机的转速变化。 3 控制系统硬件 3.1 系统控制器结构设计 选煤厂皮带机自控系统的控制器结构如图2所示，主要 由PLC的核心CPU、综合保护装置、变频器与各监测传感器 组成。其中，各监测传感器实时监测皮带机的运行工况，监 测皮带机的速度信号、温度信号与其他故障信号等，将信号 通过数模转换传输到CPU处理器中，经过处理器计算分析， 判断皮带机是否故障，控制综合保护装置对皮带机的故障进 行修正。系统通过监测皮带机的速度信号与物料信号等，通 过变频器控制电机的转速，形成负反馈闭环控制，保障皮带 机的正常运行。 3.2 PLC控制器与变频器选型 选煤厂皮带机系统的控制器主要完成3个功能 （1）实 时采集皮带机的温度信号、速度信号等数据； （2）依据监测 到的数据，判断皮带机的运行工况，是否故障等，并自动报 警或停机处理； （3）人机交互，可将数据通过以太网实时传 输到上位机，方便工作人员监测，并通过上位机对皮带机的 启动、停止等进行控制。 通过综合考虑性能要求与经济成本，本文选用西门子公 司S7-300控制器，具体为CPU315-2DP型号。本文选择的变 频器型号为矢量控制方式的 SIMOVERT MV 变频器，SI⁃ MOVERT MV变频器为西门子公司研发生产的全数字、矢量控 制方式的变频器，可控制三相异步交流电动机的电压范围为 2.36.6 kV。通过SIMOVERT MV变频器驱动电动机，具有驱 动系统平稳、启动电流小、功率因数高，可软起动等优点， SIMOVERT MV变频器可实现平稳的无级调速，调速精度较 高，速度同步好，传动效率高，功率损耗小[8]。 3.3 综合保护装置设计 根据带式输送机的系统保护要求，系统必须具有综合保 护装置，具体包括防跑偏装置、防打滑装置、防断带装置、 防纵向撕裂装置等。本文中采用ZJZ-127S煤矿带式输送机综 合保护装置，采用双音频传输技术传输皮带机的运行状态， 显示较为直观。ZJZ-127S综合保护装置可实现保护功能有 速度保护、堆煤保护、跑偏保护、烟雾保护、温度保护、沿 线紧急停车保护等。 4 控制系统软件 本文通过西门子 STEP7 软件编写 PLC 的控制程序。 STEP7使用 SIMATIC管理器选煤厂的皮带机进行控制管理， 可实现系统功能参数配置、故障诊断、自动控制功能。STEP7 软件所使用的编程语言有语句表、梯形图和功能表3种，初学 者通过梯形图编程，规则简单，易掌握，利于后期的扩展开 发。STEP7软件可实现离线状态下的程序编译和储存，具有 较高的工作效率，系统部分软件程序如图3所示。 本文对系统的主程序 流程图进行了设计，如图 4 所示。系统初始化后， 进行自诊断，系统无故障 后运行数据采集子程序， 启动皮带机，对皮带机的 速度进行负反馈变频调速 控制，综合保护系统对皮 图2控制系统硬件结构图 图3STEP软件编程图 图4系统软件主程序流程图 靳伟义选煤厂皮带机自控系统的研究与设计 121 带机的故障进行监测，当系统发生故障后，报警装置报警， 并对皮带机进行停机维护处理。 5 结束语 本文设计了一种基于 PLC 的选煤厂皮带机自动控制系 统，可实现速度的负反馈变频调速控制，具有较高的可靠 性，保障皮带机的工作效率，满足选煤厂的日常生产要求。 参考文献 [1] 杜功儒, 刘凯深, 李建华. 基于PLC的带式输送机控制系统 设计[J]. 煤矿机械,200911131-133. 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PLC技术在带式输送机自动控制系统中的应 用[J]. 昆明冶金高等专科学校学报,20090145-47. 作者简介靳伟义 （1976-） ，男，山西大同人，大学本科， 工程师，研究领域为选煤行业机电管理。 （编辑 王智圣） 由焓，并按式（4）计算。 由式 （4） 、 （5） 计算的饱和水与饱和水蒸气比焓与比 熵的最大误差分别为7 J/kg，0.087 Jkg-1K-1和 10 J/kg， 0.039 1 J kg-1 K-1，满足IAPWS对数值一致性要求[6]。 4 湿蒸汽干度 湿蒸汽干度按式（6）计算 χh ,s h- h′ h′′- h′ （6） 式中h，h′，h′′分别为湿蒸汽、饱和水及饱和水蒸气的比焓。 式（6）计算的湿蒸汽干度的最大误差为0.000 54 。 5 选择性数值计算结果 为了便于使用者检验算法方程的正确性，选定比焓、比熵 3组数据，借助本文提供的饱和温度、饱和压力等式及IAP⁃ WS-IF97等式，计算出的湿蒸汽热性质及干度数值如表4所示。 6 结束语 本文提供的湿区饱和温度与饱和蒸气压等式以及饱和水 与饱和水蒸气比焓、比熵等式具有结构形式简单、运算速度 快、计算精度高、便于编程等特点，可满足蒸汽汽轮机热力 系统建模和工业仿真需求。其中，饱和温度、蒸汽压力等式 可以替代IAPWS推荐的湿区饱和温度、饱和蒸气压力等式作 IAPWS-IF97公式的辅助等式，用于湿区热性质计算，并能显 著提高运算速度。 参考文献 [1] IAPWS R7-97, Revised Release on the IAPWS Industrial For⁃ mulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam [S].2012. [2] Springer, International Steam Tables Second edition [S].2008. [3] Wagner W., Cooper J. R., Dittmann A. The IAPWS Industrial ulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam[C]. ASME J. Eng. 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