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    1 引 言
    矿山行业，采矿区往往距离矿石加工或堆放地很远，通常利用胶带传输机将矿石从采矿区送往加工或堆放地。老式的胶带传输方式，采用继电控制，人工操作，操作人员劳动强度大，运行效率低，且易引起操作失误，造成设备损坏，甚至人员伤亡。另外，远距离传输机胶带负荷较大，传输机使用的电动机功率也因此较大，特别是重载情况下起动

过程对电网冲击很大，电压跌落严重，对机械设备和胶带的寿命也有很大损害。同时，由于胶带为弹性体，起停过程张力的变化将使胶带沿着纵向产生伸缩变化，并且沿着胶带传播，造成系统工作不稳定。

    本文介绍的这种新型矿山胶带传送系统使用PLC控制器集中监控胶带各种工作状态，提高了系统运行效率，避免了操作失误引起的故障。由于系统采用了一种新型的起动装置—软起动控制器，有效地解决了起动冲击问题。

    2 运行工况
    完整的传输系统由8条传送胶带组成，设计传输能力为每小时1000t，其中，1#、8#胶带为平胶带，长度在100m以内，负载较轻；2#和3#胶带长达1km以上，负载极重，2#胶带略有下放势能，3#胶带有大的下倾角度(30°)，因此有较大的下放势能；4#和6#胶带略有下坡，5#、7#胶带为平胶带，长度在100～600m之间。根据各胶带运行工况，配备一台285kW电机拖动2#胶带，两台185kW电机拖动3#胶带，其余各胶带均由90kW电机拖动。

    3 系统结构
    根据系统运行工况，系统构成框图如图1所示。
    物料流向如图中箭头所示，开车时应按照物料流向的反方向顺序起动各条胶带，停车应按照物料流向顺序停止各条胶带。按照错误的顺序操作，将造成压仓等严重事故，必须设置联锁：胶带运行过程中，有时会发生跑偏，纵撕，打滑等情况，必须予以保护，这些工作都由PLC来完成。另外，3#胶带较长，相应载料量也较大，而且有大的下倾角度，因此，必须有可靠的刹车装置，系统为此配备了一套KJZ型动力制动装置和一套电磁抱阐装置。还有，为保证在故障或停电情况下可靠停车，避免“飞车”等严重事故，系统配备了后备电池，提供后备制动电流，PLC控制电路配备了UPS作为后备控制电源。

    4 各部分主要功能
      整个系统中，3#胶带机和2#胶带机工况为恶劣，控制部分也为复杂，其余各胶带机控制部分与之相似，工况相对要好，因此，下面以3#胶带机控制部分为例详述系统各部分控制功能。
4.1 起动控制部分
    因胶带机为柔性系统，具有明显的动力学特征和动态响应过程，起动及停车过程将产生胶带张力的变化，并沿着胶带传播，形成张力波，且3#胶带长度较大，负载较重，总体呈大惯性负载，因此，不可控的起动和停车过程，将产生很大的加速度及冲击，直至造成机械设备损坏和胶带机寿命降低。而本系统使用的软起动装置可提供可控的起动加速过程。此装置使用单片机作为控制内核，程序中预置“S”型起动曲线，通过光编码器测速，电流互感器测电流，送入单片机，通过PID调节程序进行调节，实现电流、速度双闭环控制。控制胶带机按照“S”型曲线起动。如图2所示，胶带机起动过程实际上是一变加速过程，在胶带机起动时刻和起动完成时刻，胶带机的加速度都为0，而中间段，胶带机以预先设置的加速度不断加速，加速度可控制在0.08m/s2以下，因此，可有效地抑制张力波及其有害传递。

    4.2 动力制动部分
    由于3#胶带负载极重，而且有大的下倾角，为保证系统可靠停车和满足停车曲线，系统不仅配备一套慢动机械抱阐装置，还配备一套动力制动装置。该装置应用可控整流原理，向电机施加可控的直流电流来提供可控的制动力矩。由程序控制使胶带以反“S”曲线停止，从而消除胶带机的张力波影响。

    4.3 故障制动部分
    系统发生故障时，触发可控硅全导通，提供大制动电流。
    为了停电时保证系统可靠停车，另外备有后备电池，当系统发生突然停电时，皮带必须立即停车，此时直流制动电流由后备电池提供。蓄电池屏的主要参数为电压等级及安时数。由于能耗制动的直流电源电压采用48V直流电源，故蓄电池屏的电压也采用48V，容量选用100Ah，考虑故障制动时间为10～20s，放电电流控制在300A，则蓄电池的放电时间可持续：100Ah=300A×t，t=1/3h=20min。蓄电池的放电能力能够充分保证。
    故障制动部分由蓄电池组及充电控制等部分组成，内含有镉镍蓄电池组、充电装置、浮充电装置、控制开关、转换开关、切换开关等元器件。考虑到系统工作的可靠性，两台电机配备一套故障制动装置。蓄电池配备直流浮充电装置，浮充电装置包含有充电及浮充电两种充电方式。在蓄电池发生一次停电制动后，应首先将蓄电池组充电至额定电压等级，此时方可使系统重新运行。正常情况下，装置处于浮充电状态，制动电流仅由动力制动装置提供。

    4.4 PLC控制部分
    4.4.1 PLC配置
    系统选用OMPON公司生产的C200H系列PLC，其点数密度高，结构紧凑，具有SYSMAC NET和SYSMAC bbbb功能，构建网络方便。

    鉴于系统采样点数和输出点数众多，约有38个输入点和33个输出点，PLC配置一个CPU机架，一个电源模块，5个输入模块，3个输出模块，如图3所示。4.4.2 PLC软件设计

    PLC控制系统是3#站的控制核心，OMRON PLC使用运行于DOS环境下的梯形图编程软件SSS，完成梯形图编程和调试，并且可在现场方便的“在线”调试和修改。
    1) 根据系统运行工况和相应系统结构，设计PLC程序完成以下功能。
    正常开车停车：系统发出开车信号时，逆料流方向顺序起动

各条皮带，这样可保证不发生压仓情况。停车时，则顺料流方向逐步卸完每条皮带上的物料后停车，这样可保证在正常工作状态下，皮带不带料起动。皮带起动时，首先释放电磁抱阐机构，起动过程中，软起动器按设定的起动方式平滑起动，当电机进入亚同步范围内时，立即投入旁路接触器，此时由于皮带的下放运行，电机速度逐渐增加并超过同步转速，进入超同步发电状态，此时，电机产生回馈制动转矩，当回馈制动转矩与皮带下放势能转矩平衡后，系统进入平稳运行状态，交流电机向电网回馈能量。当系统收到停车命令后，根据胶带长度及速度，系统作适当延时，当皮带上的物料全部卸完后，系统进入电动运行状态，软起动器按停车曲线平缓停车。故障停车：当系统发生故障，如主机过流、过载、缺相故障或胶带机发生距偏、纵撕、打滑、超速、拉绳等紧急停车时，软起动器立即从系统中切除，同时在交流电磁过程结束后，投入能耗制动停车，当控制系统检测到电机速度小于30%的额定速度时，电磁抱阐制动投入，胶带停止运行。

    运行方式：系统可以选择“本机”/“集控”/“现场”等各种控制方式。
    起动/制动装置的投切，后备电池的管理都由PLC完成。
   2) 依据应完成功能，设计的PLC程序包括以下各程序段。
    现场采样段：该段程序采样现场各状态量，包括急停，电源上电，拉绳开关，超速接点，打滑接点，纵撕接点，闸机过载开关，控制方式，上下级胶带连锁等信号，并且使相应的状态位置位，驱动相应灯光指示。
    控制命令采样段：系统具有3种控制方式，集控/柜控/现场。柜控方式下，采样控制柜上按钮命令。现场控制方式下，采样现场操作箱按钮命令。在集控方式下，采用上位计算机命令，该命令可以是接点形式，也可以通过串行通信接受上位计算机命令。
    命令执行段：检查各状态位，如故障状态置位，则禁止起动，转入故障处理程序。接到起动信号后，如果连锁信号位未置位，则为错误的起动操作，也视为故障，转入故障处理程序。如果故障，PLC输出驱动闸电机松阐，同时，驱动电铃10s警示，等待松到位后，灯光指示，并驱动软起动器起动，起动结束，运行灯指示，给下级胶带发出连锁信号，同时，再响铃10s。正常停车时，收到停车信号时后，程序延时一段时间，当胶带上的物料卸完后，驱动软起动器停止，并投入软制动器(3#胶带)，当速度降到30%的额定转速时，驱动阐机抱阐。
    故障处理段：当故障状态位置位时，PLC驱动相应的状态指示灯，并立即给软起动器发出停车指令，同时，驱动阐电机抱阐，软制动器(3#胶带)施加大制动电流，并声光报警。程序设有故障存储区，可保存近10次故障状态，可供维修人员方便的检查和排除故障。当故障发生时，故障状态以堆栈操作的方式压入故障存储区，同时，删去早一次故障状态。故障产生后，程序予以保持，此时，各项操作均失效，必须复位后，方可另行操作。除了外部故障以外，程序还设置了内部故障保护，如正常运行期间，下级胶带突然停止，也视为故障，执行故障处理程序。程序预先设定起动时间，实际起动时间超过设定值，也视为故障，执行故障处理程序。如电源突然中断，也视为故障，执行故障处理程序，并且投入后备电池制动。PLC程序流程图如图4所示。

    5 应用效果
    本系统应用在国家重点水泥骨干企业—耀县水泥厂皮带廊改造项目中，该条传送线长达4km以上，负责全厂用料从矿山到联合储库的输送任务。
    本系统应用以来，实践证明，效果理想，起动时压降由原先的130V减少到30V，极大的减轻了操作人员的劳动强度，避免了操作失误引起的故障，可靠性明显提高，运行效率明显提高，运行成本明显下降。

    电机分批自启动技术在石油化工等连续生产企业中有着广泛的用途。以PLC为核心控制单元的电机分批自启动系统具有以下功能及特点：(1)能够实时地监控电机的运行状态；(2)记忆电网波动前电机的运行状态，只有在电网波动前处于运行状态而且在电网波动时停机的电机才具备电机自启动条件；(3)准确及时地捕获电网电压信息。(4)分批自启动的电机按照工艺流程需要，在PLC中预先设置，同时为避免多台电机在自启动中对电网的影响、电机分批自启动中采用分批延时处理方式；(5)具有多路输入和多路输出功能，实现多台电机自启动集中控制；(6)具备远程通信接口，实现与上位机或DCS系统的通信，在上位机或DCS系统中方便地对该系统进行监控和维护。
      洛阳石油化工总厂的2套PLC电机分批自启动设备，采用西门于S7。300系列PLC，它以CPU313为中央处理单元，每执行1000条二进制指令约需0．7ms。S7—300同时具备128点数字量输入／输出和32路模拟量输入／输出，12KB的RAM，20KB的负载存储器；完全能够满足电机状态和系统电压的实时监控和及时实现电机分批自启动的要求。
系统组成
      2套PLC电机分批自启动系统根据变电所供电方式，每一段低压母线采用l台PIC。系统硬件主要分为外围电路和核心单元2部分。外围电路主要完成母线电压、电机运行状态等信号的采集、处理和转换以及电机启动指令的驱动等。核心单元(即PLC)主要完成信号处理，发出电机驱动指令。
外围电路
    外围电路主要包括以下几个部分：(1)母线电压采样监测。它通过1个电流型电压变送器将0—380V交流母线电压转换为4*20mA直流信号。(2)电机运行状态信号监控。电机运行状态信号通过电机控制回路中的1个干接点输入到PLC的输入模块。所有信号的输入都经过光藕隔离，以提高抗干扰能力。(3)电机驱动单元。电机启动信号由PLC发出，输出单元不直接驱动电机，而是通过1个220V、10A AC的中间继电器带动电机操作回路。这样一方面提高了驱动能力，另一方面使得电气操作回路和PLC控制回路分隔，提高了系统的安全可靠性。
核心单元
     根据系统的要求，其核心PLC主要有以下几部分：
(1)CPU313及系统软件。它完成电压和电机运行状态监测，实时进行逻辑判断，发出电机分批自启动指令。CPU313有4种操作选择：RUN—P、RUN、STOP和MRES运行方式。(2)模拟量输入模块SM331(8路输入)。它把电压变送器输入的4。20mA的模拟量转换为数字信号，并将数字信号送到PI，C的控制单元，以供PLC做出电压判断。(3)数字量输入模块SM321。16路输入2个，32路输入1个，完成62台电机运行状态监测和PLC电机分批自启动系统运行、调试状态监侧，电机运行状态信号通过电机操作回路中的接触器辅助接点接至该模块。(4)数字量输出模块SM322(输出8路)。
接受PLC控制单元的指令，完成电机驱动信号输出，通过出口中间继电器，驱动电机操作回路，完成电机分批自启动。
系统软件设计
      电机分批自启动系统软件主要任务为：(1)完成系统初始化；(2)正常状态下的数据监测；(3)电网电压出现波动后，即电网电压降至70％，所有电机都会因为电气保护装置而强制退出运行，在此之前，程序已经做出判断并锁存电机状态信号；(4)当电力系统恢复正常(3s内，母线电压恢复至95％)时，程序依据故障前保存的电机状态信号、对具备白启动条件的电机。按照顺序分批发出启动信号，使其恢复运行；(5)无论在正常状态下或是在电机自启动过程中，PLC均实时监侧母线电压；(6)通信接口程序。包括系统监测数据和故障信息，PLC将采集的母线电压信息、电机启动状态信息传输到上位机或DCS系统，便于维护人员实时了解设备运行状况。