基于PLC的变频器多点驱动带式输送机控制系统设计(自动化毕业设计)
基于PLC变频器的多点驱动带式输送机控制系统设计
摘要
多点驱动带式输送机控制系统主要由电机，变频器，减速机，驱动滚筒，传输带以及各种保护传感器等组成。带式输送机在运行的过程中会受到各种因素的影响，从而使转速发生变化。为了使系统稳定运行，多个驱动电机功率平衡，需要对带式输送机进行速度调节。目前，电力电子技术迅猛发展，变频调速技术越来越成熟，逐渐的的成为当今社会不可或缺的应用技术。通过对PLC编写程序，其能通过模拟输出来控制变频器的输出频率，进而来控制电动机的转速。这些控制均是自动检测，自动完成的。该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速，从而实现了自动控制。本文所研究的多点驱动带式输送机控制系统设计系统采用PLC来控制变频器调速，可编程控制器具有的通用性、灵活性等优点得到了充分发挥。
关键词：变频器,多点驱动,带式输送机,功率平衡，PLC
The belt conveyor with multiple drives based on transducer control system design
Abstract
Multi-point belt conveyor control system is mainly driven by the motor, soft start device, reducer, drive pulleys, transmission belts, and various protection sensors and other components. Conveyor running process will be subject to various factors, so that speed chang . To make the system stable operation, a plurality of drive motor power balance, the need for belt conveyor speed adjustment. At present, the speed of the motor is from relay control times development to today's speed is controlled by frequency converter. The most common is controlled by PLC, frequency converter to realize the speed of the motor control. The method mainly through program to control motor frequency control of motor speed, so as to realize the automatic control. In this paper, the study of ac motor speed control system of the advantages of high reliability, flexibility, generality, extensibility, through the switch input and output module of PLC to control frequency converter of multi-function input, realize speed of the motor and power balance .
Keywords:transducer, multi-point drive, belt conveyor, power balance, PLC
目录
第一章绪论 (1)
1.1 课题的提出 (1)
1.2 课题的现实意义 (1)
第二章关于变频器和多点驱动技术 (3)
2.1 变频器 (3)
2.1.1变频器的工作原理 (3)
2.1.2变频调速系统控制方式 (4)
2.2. 变频调速的优点 (4)
2.3 使用多点驱动的原因 (5)
2.4多点驱动的带式输送机的工作原理 (6)
2.5 多点驱动带式输送机的结构及主要功能 (7)
2.6 多点驱动技术的优点 (7)
2.7 多点驱动技术的缺点 (8)
第三章系统硬件设计 (9)
3.1 控制系统的要求 (9)
3.2 控制系统组成及功能 (9)
3.3 控制方案 (10)
3.4 控制过程 (10)
3.4.1 过程分析 (10)
3.4.2软启动 (11)
3.5 硬件选用 (11)
3.5.1 PLC选择 (11)
3.5.2 变频器选择 (12)
3.6 变频器参数设置 (12)
3.7 输入输出接口含义 (12)
3.8 输入输出接线图 (13)
第四章控制系统的软件设计 (14)
4.1 模拟量模块与PLC的通讯 (14)
4.2 系统工作方式 (14)
4.2.1正常起动 (14)
4.2.2正常停车 (17)
4.2.3紧急停车 (17)
4.3 系统控制流程 (18)
第五章结论 (19)
参考文献 (20)
谢辞 ................................................................................................... 错误！未定义书签。附录 .. (21)
第一章绪论
1.1 课题的提出
带式输送机被大量运用于煤矿运输中，随着生产矿量和效率逐渐提高，运量大，距离长的带式输送机越来越多的投入使用。因此对带式输送机的起动和运行提出以下要求：
（1）若电机在重载的情况下起动，电路需要的电流要比正常情况下起动大7-8倍，这种情况下会由于启动时间长和电流过大而使电机过热烧毁，因而要求新式驱动系统需能电机的起动电流；
（2）距离长的带式输送机，若过快启动，将会引起拉紧装置不能及时拉紧，传动装置的驱动点打滑，从而使得整个装置的温度迅速升高，导致起火。正因为这种情况的存在，我们应该能保证系统在启动过程中的速度可以调节控制，能平稳地起车；
（3）在多点驱动的情况下，目的能使各驱动模块能实现驱动功率的有效分配，即实现功率平衡；
（4）对于带式输送机的运用，均希望对驱动系统的冲击最小，从而使整机的受力情况得到改善，寿命延长，可靠性提高，即实现软启动；
综上所述，在起动、运行、停车中，不管遇到何种工况，所设计的控制系统均能自我调整来满足要求，进而能使带式输送机可靠运行、安全起停。
1.2 课题的现实意义
多点驱动带式输送机具有连续运输，大运量，简便维护等特点。带式输送机在工业生产中使比较可靠经济的设备，因而其渐渐的成为了煤炭运输的常用的运输工具。为了适应现代化井下高产高效的发展。带式输送机朝大功率，大运量，长运距的方向发展。在化工，电力，矿山等许多领域得到广泛应用。近年来，与火车和汽车相比较，从运输量，经济效益和运输距离等方面来看，已经形成了很明显的的优势。具有范围广泛的输送物料，大输送量，高效率，适应性强的线路，高可靠性，低能耗，领域广阔等优点的带式输送机，逐渐的在国内外获得大力创新和发展。
社会经济不断快速发展，带式输送机的应用越来越广泛，在社会发展中的应用也越来越重要。由于单点驱动带式输送机的驱动装置和输送带长度的应用局限性，这也使得单点带式输送机的应用范围变得非常狭小。因而，多点驱动技术得到了广泛应用。多点驱动技术之所以能运用与带式输送机的运行中，其是有很多优点的。每个驱动电机都具有相同的带速，这是多点驱动的核心技术，同时这将会极大地减小输送机的张力。以变频器为核心的控制系统已成为工业自动化控制系统的发展方向，将变频器技术应用于带式输送机运输系统控制中，集设备的运行和保护于一体，对提高煤炭生产自动化程度和安全生产具有十分重要的意义。
第二章关于变频器和多点驱动技术
2.1 变频器
由于电力电子技术和自动控制技术的迅速发展，变频调速技术迅速发展，不断完善，广泛的应用于各领域中，这极大地解决了高成本、低效率、非静止变频器的体积大等问题。为处理器控制技术的发展与进步提供了前提，也实现了复杂的矢量控制算法。随着硬件设计不断的完善和规范化，同时极大地降低成本，变频器工作的可靠性得到较大提高。交流调速取代模拟控制技术已经成为当前发展趋势。
2.1.1变频器的工作原理
变频器是将恒压恒频的交流电转变为变压变频的交流电的装置，以满足交流电动机变频调速的需要。
交-交变频器
交-交变频器的原理是不通过中间直流环节，而是通过电力电子电路的开关控制，只需经过一次变换就能把工频直接变换成频率不同的交流电。
交-直-交变频器
交-直-交变频器是现在我们通常使用的变频器，所以本次设计将以这种变频器来实现相应的功能。
由于有中间直流环节，所以又称简介变压变频器。交-直-交变频器的电路如图2-1所示。
其结构原理图如图2-2所示。
VD5
VD2
图2-2交—直—交变频器原理图
整流器采用晶闸管的三相全波整流桥，逆变器用IGBT桥。
2.1.2变频调速系统控制方式
1. 矢量控制
磁通定向控制有两种完成方式：转差频率矢量控制和磁通直接反馈型。当今，前者无需检测出磁通，同时更容易实现，因而更易于运用矢量控制。电机的参数在某种程度上决定控制器的设计。
2. 直接转矩控制
直接转矩控制通过检测磁通转矩，然后对电机的转矩进行直接调整。因为DTC只关注转矩控制，转子参数的变化视为受到了干扰。此外，DTC还存在低速性能不理性的缺点。
2.2. 变频调速的优点
（1）起动和停车可控化，能使带式输送机能以较低的速度起动运行，这样可以便于验带；
（2）可实现智能运行，为达到节能的目的，必须降低电机的输入功率，长时间运行节能费用明显；
（3）多机驱动功率平衡好，精确度高，速度同步好；低速稳定运行，启动电流不大，功率因数好；
（4）技术高超，装置配置节简，高标准化，多个驱动点易于实现，备用器件通用容易获得；
（5）通讯协议开放，高标准化接口；
（6）装置体积小，重量轻，基建投资少，工作环境好，无漏油和机械磨损问题；
（7）工作损耗低，线性度好，驱动过程优化；
（8）可靠性高，在不正常情况下可实现工频旁路运行，且有电压及过载等多种保护功能；
（9）如果运用制动单元，对可能出现的负力矩实施可反向电网输送电能。
2.3 使用多点驱动的原因
近年来，煤炭开发建设逐渐西移，煤层的条件分布也不断地发生变化，这给大巷运输采用运量大、运距长的带式输送机提供了良好的机会。带式输送机的距离越长，输送带的张力也要求越大，带强相应的也越高，但是带强搞高的输送带既会出现价格高昂，同时质量也不很稳定。因此，传送带的最大张力值没有办法降低，这就使得传送带的选型只能立于国内。多点驱动逐渐成为降低输送带张力的普遍方法。
所谓多点驱动就是在带式输送机运行居中段也会承担一些功率，在驱动点支撑输送带时，张力就有所降低，布置的驱动电机数量越多，传送带的最大张力就会降低的越低。多点驱动传送带张力变化如图2-3所示。
图2-3多点驱动输送机张力变化
S1多点驱动张力S2单点驱动张力
2.4多点驱动的带式输送机的工作原理
为了降低对电网峰值的要求，减少输送带强度，同时减少成本，长距离的带式输送机一般采用多点驱动系统。本设计系统采用双滚筒驱动，使用两个电机。双滚筒驱动系统示意图如图2-4所示。
图2-4双滚筒驱动系统示意图
多点驱动的主要问题是引起电机输出功率不平衡。在外承载量不变的情况下，过载和欠载均可能出现在电机中，这种状况严重时会损坏电机。为了确保多台电机在运行时速度一致，确保设备能稳定的运转，该带式运输机的控制系统应该满足以下的条件:
（1）带式运输机使用两台电机驱动，两台电机间隔10s顺序启动，启动时间在20s-90s可调；
（2）两台电机从起动到停车的整个过程中均应满足系统的功率平衡，两台电机的电流值误差不大于1A；
（3）使输送带启动张力控制在允许范围内。
2.5 多点驱动带式输送机的结构及主要功能
因为带式输送机具有使用中一系列独特性，许多电气中的问题均被解决。系
统既采取监护记录机器运转情况，又可以进行自动控制，此外，还可以实现人为
控制。控制装置力图实现系统控制化、显示数字化、操作简单化、结构模块化。带式输送机控制系统布置图如图2-5所示。
图2-5 多点驱动带式输送机系统布置图
1电机2联轴器3液粘传动装置4制动器5减速机6传动装置7机架8输送带
主要功能有:
（1）与机械系统、变频调速系统构成一体化带式输送机可控起动系统，使带
式输送机在何工况下均能平稳起动开车；
（2）与带式输送机自我防护装备相匹配完成基本的保护（如沿停、堆煤、超温、撕带、打滑、烟雾等）。
2.6 多点驱动技术的优点
（1）降低输送带的张力。系统中的每个驱动点都会对输送带张力的减弱起
到一定的作用，经过的越多，输送带的张力就会被减弱的越多，从而，输送带承
受的张力也会越小。这样能利用强度低的输送带同时还能确保输送带的正常运
行，此外还使价格减少；
（2）将逆止器安装在多点驱动的输出轴上，这样可以避免断带事故的发生，每一个驱动装置都能在运行的过程中产生一个停止的力矩，从而来阻止传送带下滑。这样既能避免事故的发生，也能使系统持续高效的运行。
（3）特别适用于老设备改造。当带式输送机根据生产发展需要延长运距和提高运量时，只需在原有的带式输送机的适当位置安装辅机即可，使改造费用大大降低；
2.7 多点驱动技术的缺点
（1）驱动单元多，系统环节多；
（2）由于技术或者人为因素的存在，电机的制造过程存在着一定的偏差，这就往往会造成一系列的能源分配不合理。为了能使系统更高效的工作，就必须处理好分配问题。一般可以使用变频调速解决功率分配问题；
（3）多电机驱动可以将断带的可能性降到最低，但不能够消除事故发生的可能性，此外，动力电机之间的距离一般设置在300 m左右，因而在断带事故发生以后，一定程度的损害仍会存在，为了减少断带引起的破坏，驱动点之间可以装置额外的保护装置。
综上所述，由于输送带降低了输送带的强度，自身重量减轻，并且所受阻碍减少，多点驱动带式输送机全部的驱动功率与单点驱动相比将会降低许多。因此，多点驱动既会使输送机整机造价降低，能源节约，值得大力推广应用。
第三章系统硬件设计
3.1 控制系统的要求
基于变频器的多点钱驱动带式输送机控制系统将主要将PLC和变频器有机地跟电机结合在一起，对输送带的起动、停车及故障报警等情况严密控制。这样为带式输送机的高效运行提供了全面有力的保障。
一般的控制系统主要靠继电器为主，其中存在着诸多不利因素。随着变频调速技术的不断发展成熟，运用变频调速技术极大的简化了运行系统的的复杂程度。此外，这也设备操作更方便，运行过程更安全可靠，降低了起停过程中对系统带来的许多不利影响。
本系统将PLC及变频器引进，并作为控制系统的核心，再将许多的传感器有机的配置于系统设备中，使整套装置实时处于监测中。这样能使系统的各个部分统一协调，有序工作，实现整个系统的自动控制。
3.2 控制系统组成及功能
检测单元：变送器和电流传感器采取电流信号。传感器采集的带速信号，经过f/v转换为电压信号。获得的各种信号均进入PLC的A/D模块。
控制单元：当PLC接收到检测信号，进过判断决策，完成带式输送机的起动、功率平衡功能。
多点驱动带式输送机控制系统的具体控制系统硬件框图见图3-1所示。
图3-1 控制系统硬件设计
3.3 控制方案
（1）基于变频器的多点驱动带式输送机控制系统能控制电机的运转情况；（2）变频调速装置对电机进行实时检测控制，同时不断调整转速，使整个系统达到功率平衡。
3.4 控制过程
3.4.1 过程分析
PLC通过USB/PPI通信电缆与计算机相连，变频器与PLC之间、PLC与电机之间用普通导线连接，首先根据使用要求，设置变频器参数，通过计算机在PLC中写入控制程序，就能改变变频器的频率，从而实现PLC对电机频率的控
制，达到改变输送带电机速度的目的，其原理见下图3-2。
图3-2 变频调速原理图
3.4.2软启动
为了能满足运量大，距离长带式输送机的要求，驱动器件应具备很好的起动特性，并且可在工况条件变化的情况下运用。大型设备的软启动技术近年来国内外研究开发了多种形式的软启动装置，一直是煤炭行业所关注的焦点。就带式输送机而言，满足以下几点要求:
（1）启动过程可控；
（2）多驱动功率平衡；
（3）在起动过程中确保设备上受到的冲击力最小，这样能使输送带等装置部件拥有较长的使用时间。
软启动装置的特点主要有以下几点：
（1）电动机的启动过程中，所需电流比较大，因而不能总进行启动操作，而应使启动次数严格的控制在一定范围内；
（2）其系统拥有的部件直径一般比较大，当电动机连接在系统中后，整个系统的体积比较庞大。
3.5 硬件选用
3.5.1 PLC选择
PLC控制器选用三菱FX2N-48MR系列PLC可编程控制器。PLC作为系统控制器，其起着至关重要的作用。PLC通过其内部事先输入的程序来自动的调控
系统运行中的每一个环节。PLC的模拟输出量直接给与变频器，进而来调整变频器的输出频率，来控制电机的转速。在整个过程中，PLC起了中间变换器的作用。此外，PLC使用简洁方便，利于实践中可靠应用。
3.5.2 变频器选择
变频器选用基本通用性变频器SINAMICS MM440系列。额定输出功率为1.5kW；输入频率为50Hz；输出频率为0～300Hz。
3.6 变频器参数设置
控制线路的设计图如下所示，电机与变频器连接好后，需先调整需要的变频器参数，主要的参数如下:
（1）上限频率Pr1=50Hz；
（2）下限频率Pr2=30Hz；
（3）基底频率Pr3=50Hz；
（4）加速时间Pr7=5S；
（5）减速时间Pr8=5S；
（6）电子过电流保护Pr9=电动机的额定电流。
3.7 输入输出接口含义
表3-1 I/O接口含义
3.8 输入输出接线图
图3-3 PLC、变频器与电机接线图
第四章控制系统的软件设计
4.1 模拟量模块与PLC的通讯
不同的控制量被写入FX2N系列PLC，其对整个系统进行实时的输出控制，模拟量的不断变换起到了关键作用。而最重要的则是对缓冲存储器（BFM）的设置。通过对该模块的认识，BFM的定义如下表：
表4-1 BFM的定义
通过对上表的仔细分析，可以显然的发现，仅仅BFM的#16、#17对控制系统起主要作用，编辑程序的过程中，一定要抓住实际的需要跟BFM的#16和#17合适的值之间的关系，正确编写程序。
4.2 系统工作方式
4.2.1正常起动
开车前，需检查下各设备的准备情况，安全性是否符合起车要求，电源的可靠性是否满足标准。正常起动控制工作框图如图4-1所示，梯形图如图4-2所示。
图4-1 正常起动起动控制程序框图程序如下:
图4-2 起动控制梯形