基于PLC控制原理的带式输送机张紧系统设计_李卫东.pdf

基于 PLC 控制原理的带式输送机张紧系统设计李卫东（山西长治王庄煤业有限责任公司，山西长治047100）摘要：张紧系统是带式输送机的重要组成部分，为满足实际使用需求，需要对张紧系统进行自动化改造。基于常规带式输送机的运行要求，设计一套 PLC 控制器的绞车式自动张紧系统，并对其总体架构、工作流程、硬件组成、网络系统进行设计。经带式输送机的控制系统改造及调试运行分析发现，该系统可共用并兼容现有控制系统，实现设备的集中控制及远程监控，并实现设备的稳定启动、故障报警及紧急处置，实现预期改造目的，技术经济效益显著。关键词：PLC 自动控制；带式输送机；自动张紧系统；故障报警中图分类号：TD634.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0214-020引言带式输送机作为能够连续运输且适应性极强的运输设备，在我国煤矿井上及井下的煤炭运输中应用广泛。在带式输送机的组成结构中，张紧系统是一个非常重要的组成部分，其工作效能直接影响到输送机运行的动态特性、能耗等工况，一旦张紧系统不能有效工作，就有可能导致输送机出现打滑、跑偏甚至断带等故障，对安全生产威胁较大。在这种情况下，带式输送机工作的可靠性及稳定性极为重要，必须具备良好的整体性和协调性，而且常规张紧系统的工作原理、自动化水平已较为落后，难以满足当前带式输送机的使用要求1-5。根据王庄煤业的工作实际，基于PLC 控制原理，对常规带式输送机的张紧系统进行设计改造，从而提高设备的自动化水平，降低故障率，提高运行可靠性及稳定性。1张紧系统工作原理及性能要求张紧系统为皮带运行提供必要且足够的张紧力，避免输送带在驱动滚筒上打滑，从而保障带式输送机平稳运行。其对于带式输送机的作用，一是体现在能够保证输送带在脱离驱动滚筒时具备足够张力及摩擦牵引力，使输送带正常运转，防止牵引力不足；二是限制输送带在途中运行时的垂度，避免输送带打滑及跑偏的现象；三是由于输送带存在塑性变形，在载荷变化时，输送带的伸长量会发生变化，必须通过张紧装置对张紧力大小进行调整；四是为输送带的检修提供便利，如果输送带发生接头故障，可放松张紧装置，提供处置接头的余量空间。常见的张紧系统，一是重锤式张紧装置，其转向滚筒固定在张紧绞车上，悬吊的重锤与绞车直接相连，靠重锤的自重作用实现皮带张紧，其张紧力受限于重锤的重量，始终是最大张力，容易使输送带寿命缩短，且占用空间大、适用性差，优势是原理简单、工作可靠；二是螺旋式张紧装置，其张紧滚筒安装在可移动的支架上，支架可在导轨上滑动，通过螺旋杆的旋转使支架在导轨上前后移动，从而实现张紧力的调整，结构简单，适用于短距离运输的带式输送机；三是绞车式张紧装置，其由两部小型绞车通过钢丝绳的缠绕实现输送带的张紧，应用范围最为广泛，但不能实现自动张紧6-8。基于带式输送机的运行需求，新设计张紧系统的性能应能使输送带具备足够张力，防止输送机打滑，且使线路上的输送带保持合理垂度，同时，在工况发生变化时，张紧力能够自动调整，且能够自动补偿输送带的永久伸长变形，在重做输送带接头时，能够提供足够的输送带长度余量。2基于 PLC 的自动张紧系统设计2.1自动张紧系统设计思路及总体方案为了适应矿井的高产高效生产需求，带式输送机正朝着大功率、长距离、大运力的方向发展，对输送带张力大小进行自动控制和调整至关重要。结合王庄煤业常规带式输送机运行要求，设计一套基于 PLC 控制器的绞车式自动张紧系统，其工作原理及总体方案如图 1 所示。该系统由 PLC 控制器、电机、传动系统、传感器、数显表等部分组成，其工作流程是：当带式输送机发出开机信号后，绞车钢丝绳上的张力传感器即开始工作，收集张力变化及变量数据，将数据信号传收稿日期：2022-08-11作者简介：李卫东（1976），男，山西黎城人，毕业于山西潞安技术学院矿山机电专业。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.086图 1自动张紧系统设计工作原理示意图张力数显表张力传感器/变送器传动机构上位系统集中控制张力变化机旁控制控制器机旁按钮箱正转反转张紧电机自动化系统设计2023 年第 6 期递至 PLC 控制器，由控制器实施张紧力的调节，当张紧力达到输送机启动所需要的条件时，即可实现带式输送机的启动。同样条件，可实现带式输送机的停机、变速、紧急制动等操作。张力自动调节的原理：PLC 控制器实时接收张力传感器采集到的动态张力值，将动态张力值与数据库中的给定值进行比对，并结合输送机当前工作状态，判断张力值是需要调大还是调小，并由 PLC 控制器发出张紧力的调整指令，进而控制张紧电机的转向及转速，再经过传动机构、减速器，控制绞车上钢丝绳的缠绳或放绳，同步实现输送带的张紧或松带，进而实现输送带张力的自动调整，调整完毕，绞车立即抱闸，完成张力的调整及维持。2.2自动张紧系统硬件及网络设计自动张紧系统可以实现带式输送机的本机控制及远程控制，PLC 控制系统相关电器元件安装在机头控制箱内，便于实现本机集中控制。张紧传感器安装在张紧绞车附近的钢丝绳上，张紧绞车安装在机头输送带松边一侧。PLC 控制系统进行集中选型，整套系统选用西门子公司的 Clogix 型控制系统，该控制系统包括 PLC 控制器、输入输出模块、通信模块、软件模块等，能够对带式输送机进行启停控制、过程控制、驱动控制等，支持多种网络类型，对矿井各类型带式输送机兼容性较强。系统网络设计基于矿山以太环网，设计两层网络架构，即 EtherNet 和 Controlnet 网络，具备良好的通信及传输功能，自动张紧系统所属的远程站经以太环网接入矿山机电设备的控制系统及安全监控系统，便于实现设备的集中控制及远程监控，可共用现有地面调度中心（中央控制室），实现集中调度，其网络架构设计如图 2 所示。3调试运行及效果分析根据带式输送机的控制系统现状，对其张紧系统进行 PLC 自动控制改造，在带式输送机机头控制柜内安装成套 PLC 控制系统，安装调试传感器，调试张紧绞车，并进行电气及网络接线布置，完成控制系统的改造。改造完成后，可手动控制设备启动，启动后，先手动调节绞车的张紧力，长按控制器上的张紧按钮或者放松按钮，观察显示器上张力值变化及张紧系统的整体工作参数情况。经过设备改造，先进行了设备开机试验，开机后，显示器上的张力由 4.75 kN 开始增加，绞车钢丝绳上的张力传感器即开始工作，由控制器实施张紧力调整，逐渐增大至 5.6 kN，此为峰值状态，随后张紧力缓慢降低后维持在 5.5 kN 上下，输送机实现启动，用时约 5 s。其次进行了故障试验，当控制输送带张紧力保持 0.8 倍额定张力值 10 s 后，系统显示张力不足故障信号，并发出指令，张紧绞车紧急制动，可避免故障发生；当控制输送带张紧力保持 1.6 倍额定张力值 5 s后，系统立即进行了张力值超限报警，进行缓慢停机处置，避免张力过大造成断带等故障。4结语矿井机电设备使用寿命管理及自动化管理工作至关重要，是提高矿井生产效益、保障安全生产的重要一环，通过分析张紧系统工作原理及性能要求，对自动张紧系统的工作原理及整体方案进行设计，并设计了系统的工作流程，并对系统硬件组成及网络结构进行设计。通过改造，该自动控制系统可通过矿井的工业以太环网接入机电设备的控制系统及安全监控系统，可共用现有地面调度中心，实现设备的集中控制及远程监控。经过对设备的张紧系统进行 PLC 自动控制改造，并进行了设备开机试验及故障报警试验，在实现张紧系统自动控制后，输送机的启动较为平稳，用时 5 s，且对张紧力异常工况能够进行识别、预警及紧急处置，避免故障的扩大及恶化，实现了设备升级改造预期目标，技术效益显著。参考文献1胡振华.基于 PLC 带式输送机自动张紧系统的设计J.煤炭与化工，2021，44（S1）：119-122.2鄂思佳.DSJ-800 型矿用带式输送机自动张紧控制系统研究J.机械工程与自动化，2021（4）：161-162；165.3张营章，李辉中.长距离带式输送机自适应车式拉紧系统设计J.煤炭工程，2021，53（5）：173-176.4杨小林，葛世荣，祖洪斌，等.带式输送机永磁智能驱动系统及其控制策略J.煤炭学报，2020，45（6）：2 116-2 126.5张永锋.带式输送机变频自动张紧装置设计及控制算法优化研究D.太原：太原理工大学，2020.6徐孝，孟巧荣，王定龙.带式输送机变频张紧装置调速系统设计J.煤炭技术，2019，38（10）：169-172.7雷云.煤矿主运带式输送机自动控制系统研究D.西安：西安科技大学，2018.8杨洋.带式输送机液压张紧自适应控制系统D.西安：西安科技大学，2018.（编辑：李俊慧）图 2自动张紧系统网络结构设计示意图中央控制室工程师操作员操作员工业以太网矿山破碎系统 PLC 主站张紧远程站Controlnet 网（下转第 220 页）李卫东：基于 PLC 控制原理的带式输送机张紧系统设计215机械管理开发第 38 卷常检测运转。5结语通过对煤矿电机应急调速系统进行设计，并在该矿皮带输送机设备上进行调试运行可以看出，应用变频调节技术下的应急调速系统与传统电阻调速技术相比，电机设备的启动及制动过程更为平滑稳定，节省了电能损耗同时也避免了煤矿设备的维修投入。利用该应急调速系统可对电机的驱动以及制动过程进行有效控制，并有效降低煤矿电机能源损耗，将该系统进行广泛应用可有效降低煤矿机电设备的维护成本。参考文献1李海燕，李海宝，赵汗青，等.数字变频调速技术在煤矿电机中的应用研究J.煤矿机械，2009（4）：175-176.2马宪民，宋改改.煤矿电机车交流调速系统的方案选择与考虑J.工矿自动化，2002（4）：17-19.3张旭锋.变频调速技术在煤矿电机中的应用研究J.机械管理开发，2018（4）：119-121.（编辑：王婧）图 4集中巷皮带运输系统电动机电流转速检测4-2转速4-1输出电流Design and Operation of Emergency Speed Control System for Coal Mine MotorsLyu Junfang（Yangquan Coal Industry Group Qiyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Shouyang Shanxi 045400）Abstract:The design and operation of emergency speed regulation system in coal mine motor equipment can significantly improve thecurrent situation of long maintenance loss time for motor frequency converters.Utilizing the proportional relationship between powerfrequency and motor speed for motor variable frequency speed control design,and conducting debugging and operation during theconveying process of a certain mining belt system,the starting and braking process of the belt conveying system is more stable,and theenergy loss caused by it is also lower compared to traditional resistance variable frequency technology.Key words:variable frequency speed regulation technology;application control strategy;coal mine motors4002000-200-4000.00.20.40.60.81.0时间/s电流/A1 5001 0005000-5000.00.20.40.60.81.0转速/（r min-1）时间/sDesign and Research of Remote Monitoring System for Mining TransportersWang Wenlong（Yangmei Group Shouyang Jingfu Coal Industry Co.,Ltd.,Jinzhong Shanxi 045000）Abstract:A remote monitoring system for mining transport machines is designed based on programmable controllers,Ethernetcommunication technology,and various sensors to address the issues of belt slipping,deviation,fracture,and key component failures suchas drums and motors that occur during long-term high load operation in harsh underground environments.This system can achievefunctions such as remote real-time monitoring,parameter feedback,remote control,automatic addressing,and shutdown protection.Inactual coal mine testing,it has stable operation and strong human-machine interaction ability,which can greatly reduce the occurrence ofcoal mine conveyor safety accidents.Key words:mining conveyor;monitoring system;remote control;real time monitoring（上接第 217 页）Design of Belt Conveyor Tensioning System Based on PLC Control PrincipleLi Weidong（Shanxi Changzhi Wangzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 047100）Abstract:The tensioning system is an important part of the belt conveyor,and in order to meet the actual use requirements,the tensioningsystem needs to be automated.Based on the operation requirements of conventional belt conveyors,a set of winch-type automatic tensioningsystem with PLC controller is designed,and its overall architecture,workflow,hardware composition and network system are designed.Afterthe belt conveyor control system transformation and commissioning operation analysis found that the system can share and compatible with theexisting control system,realize the centralized control and remote monitoring of the equipment,and realize the stable start-up,fault alarm andemergency disposal of the equipment,realize the expected transformation purpose,the technical and economic benefits are remarkable.Key words:PLC automatic control;belt conveyor;automatic tensioning system;fault alarm（上接第 215 页）220