基于PLC的輸煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

雷振偉

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450042)

1 PLC的概念及發(fā)展

PLC是一專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。其運(yùn)用儲(chǔ)存器執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等操作指令。并通過(guò)數(shù)字或模擬輸入輸出來(lái)對(duì)各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。早期的PLC稱(chēng)為可編程邏輯控制器，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制裝置功能已大大超過(guò)了邏輯控制，從而如今的裝置稱(chēng)為可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PC，為了與個(gè)人電腦區(qū)分，所以仍然把它叫做PLC。

2 控制對(duì)象分析

某系統(tǒng)共有12條皮帶組成，一共2個(gè)煤場(chǎng)，用來(lái)儲(chǔ)存來(lái)煤。系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要對(duì)來(lái)煤進(jìn)行卸煤控制，斗輪機(jī)的堆煤和取煤通常由其自己的PC控制按照控制順序和連鎖關(guān)系進(jìn)行控制。煤從煤場(chǎng)、碼頭或者火車(chē)站通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)送往轉(zhuǎn)運(yùn)站，然后再由轉(zhuǎn)運(yùn)站皮帶給煤機(jī)的不同運(yùn)行方式和擋板的不同位置將煤運(yùn)送到下一條皮帶運(yùn)輸機(jī)，再經(jīng)過(guò)碎煤房，最終將煤送到燃料倉(cāng)庫(kù)。這個(gè)過(guò)程控制主要通過(guò)選擇輸煤順序，在相對(duì)應(yīng)的連鎖條件下，實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)、停止和保護(hù)(皮帶運(yùn)輸機(jī)的保護(hù)有：撕帶保護(hù)、速度保護(hù)、跑偏保護(hù)、超載保護(hù)等)，自動(dòng)確定皮帶給煤機(jī)的運(yùn)行方向和擋板位置，并對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)送報(bào)警信號(hào)。燃料倉(cāng)庫(kù)是否需要加煤由煤倉(cāng)的煤位決定，當(dāng)煤倉(cāng)出現(xiàn)低煤位時(shí)，因及時(shí)加煤;當(dāng)煤倉(cāng)出現(xiàn)高煤位時(shí)，應(yīng)停止加煤，換其他煤倉(cāng)加煤。燃料倉(cāng)庫(kù)加煤由皮帶上的犁煤器來(lái)實(shí)現(xiàn)，它屬于輸煤控制的一部分，但必須參與系統(tǒng)的連鎖運(yùn)行。皮帶能否正常運(yùn)行需要傳感器來(lái)檢測(cè)，需要對(duì)皮帶進(jìn)行各種必要的保護(hù)，遇故障能及時(shí)報(bào)警處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要

3.1 皮帶機(jī)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由于皮帶機(jī)較多，系統(tǒng)工作可選情況也較多。對(duì)皮帶機(jī)需要設(shè)計(jì)的內(nèi)容是互為備用的12條皮帶機(jī)運(yùn)煤系統(tǒng)。對(duì)皮帶機(jī)啟動(dòng)、停車(chē)的順序設(shè)計(jì)。需要對(duì)其進(jìn)行PLC編程，上位機(jī)監(jiān)控皮帶的運(yùn)行情況。

3.2 傳感器設(shè)計(jì)

為了使輸煤系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，避免在運(yùn)作工程中無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。所以必須有大量的傳感器對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)及時(shí)傳輸給PLC，以便于及時(shí)排除故障。

3.3 擋板設(shè)計(jì)

一條皮帶機(jī)出現(xiàn)故障需要啟用備用皮帶時(shí)，這時(shí)就需要將煤流切換到備用皮帶進(jìn)行運(yùn)輸，這就需要由擋板來(lái)切換煤流運(yùn)送方向。同時(shí)煤流需要完成正反轉(zhuǎn)。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 速度保護(hù)

(1)選型：GSH5。

(2)接線端口：數(shù)字量接口DI。

(3)工作原理：GSH5型速度傳感器為礦用本質(zhì)安全型，適用于煤礦井下有煤塵、瓦斯爆炸性氣體環(huán)境，作為皮帶機(jī)速度檢測(cè)、低速打滑、斷帶保護(hù)裝置。將磁鋼固定到從動(dòng)面，將傳感器固定在機(jī)架上，感應(yīng)端靠近磁鋼。皮帶電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，按下標(biāo)定按鈕即可。當(dāng)傳感器靠近磁鋼時(shí)，傳感器接收到來(lái)自磁鋼的的頻率信號(hào)，傳感器根據(jù)額定值進(jìn)行對(duì)比，正常時(shí)輸出高電平，當(dāng)不符合額定值時(shí)輸出低電平，并有脈沖信號(hào)輸出，從而進(jìn)行報(bào)警保護(hù)。

(4)主要技術(shù)參數(shù)

額定電壓：12VDC;工作電流：≤80mA;基本誤差：±2.5%;線性誤差：±2.5%;重復(fù)性：1.5%;回程誤差：2.5%;測(cè)量范圍：0～4r/s;環(huán)境溫度：0～40℃;相對(duì)濕度：≤98%;線制：二線制;相應(yīng)時(shí)間：不大于1秒;輸出狀態(tài)的電流信號(hào)：恒流信號(hào)5mA/1mA。

4.2 跑偏保護(hù)

(1)選型：GEJ(A)。

(2)接線端口：數(shù)字量接口DI。

(3)工作原理：GEJ(A)型跑偏傳感器適用于煤礦井下含有爆炸性氣體的環(huán)境以及露天煤礦、選煤廠等工作場(chǎng)所，作為礦用帶式傳送機(jī)保護(hù)裝置的跑偏保護(hù)信號(hào)檢測(cè)用。跑偏傳感器分別安裝于皮帶機(jī)頭部與機(jī)尾部?jī)蓚?cè)的機(jī)架上。傳感器軸輥在正常狀態(tài)下，軸輥與皮帶邊緣線垂直，兩者間距離大約為5cm。當(dāng)皮帶發(fā)生跑偏時(shí)，當(dāng)軸輥擺動(dòng)角≥25°時(shí)，第一級(jí)微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，當(dāng)軸輥擺動(dòng)角≥35°時(shí)，第二級(jí)微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，切斷皮帶機(jī)控制回路停機(jī)或控制站發(fā)出跑偏故障信號(hào)。當(dāng)故障排除后，跑偏傳感器軸輥又恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

(4)主要技術(shù)參數(shù)

工作電壓：24VDC;工作電流：0.5A;觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)軸輥擺動(dòng)角度：一級(jí)25°二級(jí)35°;探桿動(dòng)作力：20N～100N;接點(diǎn)接探電阻≤0.1Ω，振動(dòng)、沖擊后≤0.2Ω。

4.3 撕帶保護(hù)

(1)選型：GVD1200。

(2)接線端口：數(shù)字量接口DI。

(3)工作原理：將撕裂傳感器兩根引出線接入主機(jī)，正常時(shí)，傳感器處于斷開(kāi)狀態(tài)，輸出高電平。當(dāng)皮帶撕裂，有煤約1200g落入傳感器上時(shí)，導(dǎo)點(diǎn)橡膠使兩根引線短路，輸出低電平，撕裂指示燈亮，主機(jī)執(zhí)行繼電器釋放，實(shí)現(xiàn)撕裂保護(hù)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

(4)主要技術(shù)參數(shù)

接點(diǎn)容量：12V/0.2A;接點(diǎn)接觸電阻≤0.1Ω，沖擊振動(dòng)后≤0.2Ω;動(dòng)作值：傳感器其上100CM2處落入1200g物料時(shí)，傳感器輸出低電平;動(dòng)作允許誤差：±10%;接通電阻＜0.2Ω;輸出信號(hào)：開(kāi)關(guān)量。

4.4 堆煤保護(hù)

(1)型號(hào)：KGU-1。

(2)接線端口：數(shù)字量接口DI。

(3)工作原理：傳感器正常時(shí)，煤位傳感器輸出高電平，當(dāng)煤位增高推動(dòng)傳感器15～60°或者兩電極同時(shí)碰觸到煤時(shí)，延時(shí)3秒，皮帶機(jī)停機(jī)，指示燈亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

4.5 煤位保護(hù)

(1)型號(hào)：NYTD803。

(2)接線端口：模擬量接口AI。

(3)工作原理：通過(guò)天線系統(tǒng)發(fā)射并接收能量很低的極短的微波脈沖。雷達(dá)波運(yùn)行時(shí)通過(guò)電子部件被轉(zhuǎn)換為物位信號(hào)，可確保極短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定和測(cè)量的精確。即使工作情況比較復(fù)雜，存在虛假回波，也可以用最新的軟件技術(shù)準(zhǔn)確的分析出物位回波。天線接收反射的脈沖并傳輸給電子線路，微處理器對(duì)其處理，識(shí)別脈沖在物料表面形成的回波。離物料表面的距離D與脈沖的時(shí)間T成正比：D=C×T/2其中C為光速，因罐的高度E已知，則物位L=E-D。

5 監(jiān)控設(shè)計(jì)

5.1 概述

力控是由北京三維力控科技有限公司研發(fā)的一款組態(tài)軟件，是國(guó)產(chǎn)監(jiān)控組態(tài)軟件唯一的擁有完整的冗余與熱備體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完整的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。支持設(shè)備冗余、多客戶(hù)端冗余、多網(wǎng)絡(luò)冗余。人機(jī)界面與數(shù)據(jù)處理分離，內(nèi)設(shè)獨(dú)立實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。力控特點(diǎn)：開(kāi)發(fā)環(huán)境方便靈活，內(nèi)部提供各種模板，可嵌入各種格式的圖片，畫(huà)面制作方便，降低開(kāi)發(fā)的工作量。強(qiáng)大的分布式報(bào)警功能，事件處理功能，恢復(fù)功能。支持多個(gè)圖層，可以通過(guò)腳本進(jìn)行圖層的顯示和隱藏。強(qiáng)大的ACTIVEX控件對(duì)象容器，增加了可通過(guò)腳本對(duì)對(duì)象將進(jìn)行直接操作的功能，通過(guò)腳本對(duì)對(duì)象進(jìn)行方法和屬性進(jìn)行調(diào)用。靈活的報(bào)表設(shè)計(jì)工具，含有豐富的操作函數(shù)集、支持復(fù)雜的腳本控制、提供報(bào)表設(shè)計(jì)器。

5.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)：(1)皮帶機(jī)靜態(tài)動(dòng)態(tài)畫(huà)面生成，包括煤倉(cāng)煤位趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)、各皮帶運(yùn)行狀態(tài)等。(2)故障顯示、報(bào)警，顯示故障發(fā)生的時(shí)間、位置等。(3)報(bào)表生成、歷史記錄。

監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)：監(jiān)控畫(huà)面包括輸煤工藝流程界面、報(bào)警界面、煤位趨勢(shì)界面、歷史報(bào)表界面、煤位報(bào)警界面等。監(jiān)控人員能從監(jiān)控畫(huà)面上看到輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，從而確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。工作人員能在上位機(jī)上用鼠標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的操作，可以對(duì)系統(tǒng)的啟停以及對(duì)輸煤線路進(jìn)行選擇。

輸煤系統(tǒng)中保護(hù)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)中傳感器的應(yīng)用起到了很大的作用，傳感器能及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生的故障，并進(jìn)行報(bào)警處理。故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理對(duì)煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和正常工作都有著密不可分的關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)到故障或者煤位問(wèn)題發(fā)出報(bào)警時(shí)，不僅僅報(bào)警界面指示燈亮，與此同時(shí)在報(bào)警記錄界面還會(huì)記錄報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、類(lèi)型等，以便于之后的查看。

6 結(jié)語(yǔ)

煤礦輸煤系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行不僅僅影響了煤礦的效益，還有工人的生命安全，這也是輸煤系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)的一個(gè)需要不斷提高和完善的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在比較國(guó)內(nèi)外煤礦輸煤系統(tǒng)在控制技術(shù)的差距上，對(duì)輸煤系統(tǒng)控制進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，確保了系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。本設(shè)計(jì)注重器件的選擇，系統(tǒng)的整體概念，以實(shí)現(xiàn)逆煤流啟動(dòng)，順煤流停車(chē)的功能。利用各種傳感器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并實(shí)施報(bào)警以及處理。在監(jiān)控系統(tǒng)上采用力控軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。為了確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，采用皮帶機(jī)互為備用的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)一條皮帶出現(xiàn)故障時(shí)，可及時(shí)切換到想也備用皮帶機(jī)進(jìn)行工作。該設(shè)計(jì)是對(duì)煤礦輸煤系統(tǒng)的研究和分析，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了合理的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了輸煤系統(tǒng)的有效監(jiān)控，提高了輸煤系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，最后使系統(tǒng)正常、安全、可靠的運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)利益。

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[3]柴瑞娟.西門(mén)子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007