V80系列PLC在礦山膠帶傳送系統的應用

本文介紹了一種新型的礦山膠帶傳送系統。該系統應用在遠距離膠帶傳送中，有效地減小了對電網的沖擊和機械沖擊。系統采用V80系列PLC控制，提高了運行自動化程度，減少了系統維護時間，文章中討論了該系統的起動特性及系統構建，最后給出了V80系列PLC程序框圖。

　　1 引 言

　　礦山行業，采礦區往往距離礦石加工或堆放地很遠，通常利用膠帶傳輸機將礦石從采礦區送往加工或堆放地。老式的膠帶傳輸方式，采用繼電控制，人工操作，操作人員勞動強度大，運行效率低，且易引起操作失誤，造成設備損壞，甚至人員傷亡。另外，遠距離傳輸機膠帶負荷較大，傳輸機使用的電動機功率也因此較大，特別是重載情況下起動過程對電網沖擊很大，電壓跌落嚴重，對機械設備和膠帶的壽命也有很大損害。同時，由于膠帶為彈性體，起停過程張力的變化將使膠帶沿著縱向產生伸縮變化，并且沿著膠帶傳播，造成系統工作不穩定。

　　本文介紹的這種新型礦山膠帶傳送系統使用V80系列PLC控制器集中監控膠帶各種工作狀態，提高了系統運行效率，避免了操作失誤引起的故障。由于系統采用了一種新型的起動裝置—軟起動控制器，有效地解決了起動沖擊問題。

　　2 運行工況

　　完整的傳輸系統由8條傳送膠帶組成，設計傳輸能力為每小時1000t，其中，1#、8#膠帶為平膠帶，長度在100m以內，負載較輕；2#和3#膠帶長達1km以上，負載極重，2#膠帶略有下放勢能，3#膠帶有大的下傾角度(30°)，因此有較大的下放勢能；4#和6#膠帶略有下坡，5#、7#膠帶為平膠帶，長度在100～600m之間。根據各膠帶運行工況，配備一臺285kW電機拖動2#膠帶，兩臺185kW電機拖動3#膠帶，其余各膠帶均由90kW電機拖動。

　　3 系統結構

　　根據系統運行工況，系統構成框圖如圖1所示。

　　物料流向如圖中箭頭所示，開車時應按照物料流向的反方向順序起動各條膠帶，停車應按照物料流向順序停止各條膠帶。按照錯誤的順序操作，將造成壓倉等嚴重事故，必須設置聯鎖：膠帶運行過程中，有時會發生跑偏，縱撕，打滑等情況，必須予以保護，這些工作都由V80系列PLC來完成。另外，3#膠帶較長，相應載料量也較大，而且有大的下傾角度，因此，必須有可靠的剎車裝置，系統為此配備了一套KJZ型動力制動裝置和一套電磁抱闡裝置。還有，為保證在故障或停電情況下可靠停車，避免“飛車”等嚴重事故，系統配備了后備電池，提供后備制動電流，PLC控制電路配備了UPS作為后備控制電源。

　　4 各部分主要功能

　　如圖1所示，整個系統中，3#膠帶機和2#膠帶機工況最為惡劣，控制部分也最為復雜，其余各膠帶機控制部分與之相似，工況相對要好，因此，下面以3#膠帶機控制部分為例詳述系統各部分控制功能。4.1 起動控制部分

　　因膠帶機為柔性系統，具有明顯的動力學特征和動態響應過程，起動及停車過程將產生膠帶張力的變化，并沿著膠帶傳播，形成張力波，且3#膠帶長度較大，負載較重，總體呈大慣性負載，因此，不可控的起動和停車過程，將產生很大的加速度及沖擊，直至造成機械設備損壞和膠帶機壽命降低。而本系統使用的軟起動裝置可提供可控的起動加速過程。此裝置使用單片機作為控制內核，程序中預置“S”型起動曲線，通過光編碼器測速，電流互感器測電流，送入單片機，通過PID調節程序進行調節，實現電流、速度雙閉環控制。控制膠帶機按照“S”型曲線起動。如圖2所示，膠帶機起動過程實際上是一變加速過程，在膠帶機起動時刻和起動完成時刻，膠帶機的加速度都為0，而中間段，膠帶機以預先設置的加速度不斷加速，加速度可控制在0.08m/s2以下，因此，可有效地抑制張力波及其有害傳遞。

　　4.2 動力制動部分

　　由于3#膠帶負載極重，而且有大的下傾角，為保證系統可靠停車和滿足停車曲線，系統不僅配備一套慢動機械抱闡裝置，還配備一套動力制動裝置。該裝置應用可控整流原理，向電機施加可控的直流電流來提供可控的制動力矩。由程序控制使膠帶以反“S”曲線停止，從而消除膠帶機的張力波影響。

　　4.3 故障制動部分

　　系統發生故障時，觸發可控硅全導通，提供最大制動電流。

　　為了停電時保證系統可靠停車，另外備有后備電池，當系統發生突然停電時，皮帶必須立即停車，此時直流制動電流由后備電池提供。蓄電池屏的主要參數為電壓等級及安時數。由于能耗制動的直流電源電壓采用48V直流電源，故蓄電池屏的電壓也采用48V，容量選用100Ah，考慮故障制動時間為10～20s，放電電流控制在300A，則蓄電池的放電時間可持續：100Ah=300A×t，t=1/3h=20min。蓄電池的放電能力能夠充分保證。

　　故障制動部分由蓄電池組及充電控制等部分組成，內含有鎘鎳蓄電池組、充電裝置、浮充電裝置、控制開關、轉換開關、切換開關等元器件。考慮到系統工作的可靠性，兩臺電機配備一套故障制動裝置。蓄電池配備直流浮充電裝置，浮充電裝置包含有充電及浮充電兩種充電方式。在蓄電池發生一次停電制動后，應首先將蓄電池組充電至額定電壓等級，此時方可使系統重新運行。正常情況下，裝置處于浮充電狀態，制動電流僅由動力制動裝置提供。

　　4.4 PLC控制部分

　　4.4.1V80系列 PLC配置

　　系統選用矩形科技公司生產的V80系列PLC，其點數密度高，結構緊湊，具有SYSMAC NET和SYSMAC LINK功能，構建網絡方便。

　　鑒于系統采樣點數和輸出點數眾多，約有38個輸入點和33個輸出點，PLC配置一個CPU機架，一個電源模塊，2個輸入模塊，2個輸出模塊，如圖3所示。

　　4.4.2 PLC軟件設計

　　V80系列PLC控制系統是3#站的控制核心，V80系列PLC使用運行于DOS環境下的梯形圖編程軟件SSS，完成梯形圖編程和調試，并且可在現場方便的“在線”調試和修改。

　　1) 根據系統運行工況和相應系統結構，設計V80系列PLC程序完成以下功能。

　　正常開車停車：系統發出開車信號時，逆料流方向順序起動各條皮帶，這樣可保證不發生壓

　　倉情況。停車時，則順料流方向逐步卸完每條皮帶上的物料后停車，這樣可保證在正常工

　　作狀態下，皮帶不帶料起動。皮帶

　　起動時，首先釋放電磁抱闡機構，起動過程中，軟起動器按設定的起動方式平滑起動，當電機進入亞同步范圍內時，立即投入旁路接觸器，此時由于皮帶的下放運行，電機速度逐漸增加并超過同步轉速，進入超同步發電狀態，此時，電機產生回饋制動轉矩，當回饋制動轉矩與皮帶下放勢能轉矩平衡后，系統進入平穩運行狀態，交流電機向電網回饋能量。當系統收到停車命令后，根據膠帶長度及速度，系統作適當延時，當皮帶上的物料全部卸完后，系統進入電動運行狀態，軟起動器按停車曲線平緩停車。故障停車：當系統發生故障，如主機過流、過載、缺相故障或膠帶機發生距偏、縱撕、打滑、超速、拉繩等緊急停車時，軟起動器立即從系統中切除，同時在交流電磁過程結束后，投入能耗制動停車，當控制系統檢測到電機速度小于30%的額定速度時，電磁抱闡制動投入，膠帶停止運行。

　　運行方式：系統可以選擇“本機”/“集控”/“現場”等各種控制方式。

　　起動/制動裝置的投切，后備電池的管理都由PLC完成。

　　2) 依據應完成功能，設計的V80系列PLC程序包括以下各程序段。

　　現場采樣段：該段程序采樣現場各狀態量，包括急停，電源上電，拉繩開關，超速接點，打滑接點，縱撕接點，閘機過載開關，控制方式，上下級膠帶連鎖等信號，并且使相應的狀態位置位，驅動相應燈光指示。

　　控制命令采樣段：系統具有3種控制方式，集控/柜控/現場。柜控方式下，采樣控制柜上按鈕命令。現場控制方式下，采樣現場操作箱按鈕命令。在集控方式下，采用上位計算機命令，該命令可以是接點形式，也可以通過串行通信接受上位計算機命令。

　　命令執行段：檢查各狀態位，如故障狀態置位，則禁止起動，轉入故障處理程序。接到起動信號后，如果連鎖信號位未置位，則為錯誤的起動操作，也視為故障，轉入故障處理程序。如果故障，PLC輸出驅動閘電機松闡，同時，驅動電鈴10s警示，等待松到位后，燈光指示，并驅動軟起動器起動，起動結束，運行燈指示，給下級膠帶發出連鎖信號，同時，再響鈴10s。正常停車時，收到停車信號時后，程序延時一段時間，當膠帶上的物料卸完后，驅動軟起動器停止，并投入軟制動器(3#膠帶)，當速度降到30%的額定轉速時，驅動闡機抱闡。

　　故障處理段：當故障狀態位置位時，V80系列PLC驅動相應的狀態指示燈，并立即給軟起動器發出停車指令，同時，驅動闡電機抱闡，軟制動器(3#膠帶)施加最大制動電流，并聲光報警。程序設有故障存儲區，可保存最近10次故障狀態，可供維修人員方便的檢查和排除故障。當故障發生時，故障狀態以堆棧操作的方式壓入故障存儲區，同時，刪去最早一次故障狀態。故障產生后，程序予以保持，此時，各項操作均失效，必須復位后，方可另行操作。除了外部故障以外，程序還設置了內部故障保護，如正常運行期間，下級膠帶突然停止，也視為故障，執行故障處理程序。程序預先設定起動時間，實際起動時間超過設定值，也視為故障，執行故障處理程序。如電源突然中斷，也視為故障，執行故障處理程序，并且投入后備電池制動。PLC程序流程圖如圖4所示。

　　5 應用效果

　　本系統應用在國家重點水泥骨干企業—耀縣水泥廠皮帶廊改造項目中，該條傳送線長達4km以上，負責全廠用料從礦山到聯合儲庫的輸送任務。

　　本系統應用以來，實踐證明，效果理想，起動時壓降由原先的130V減少到30V，極大的減輕了操作人員的勞動強度，避免了操作失誤引起的故障，可靠性明顯提高，運行效率明顯提高，運行成本明顯下降。