煤礦井下皮帶輸送機PLC控制實踐探析

尹亞云

（晉城無煙煤礦業集團有限責任公司機電設備處， 山西 晉城 048006）

引言

PLC程序控制器是近年發展非常快速的可重復編程使用的裝置，它結合通信、計算機、自動化的控制于一身，具有控制分散、控制順序、采集數據等多種功能，并具備結構簡單、方便編程、較強適應性、可靠運行性等優點，因此，PLC程控器是各行業實現電、機一體化最為主要的方式。由于煤礦井下環境復雜多變，對皮帶傳輸機實現多臺集中控制和智能化的控制一直是煤礦企業的研究重點，所以，將程序控制器PLC引入皮帶傳輸機的控制中，能夠實時檢測皮帶傳輸機的工作狀態，現針對由4臺傳輸機組成的煤炭傳送系統為研究對象，研究PLC程序控制器在皮帶傳輸機的實際應用。

1 皮帶傳送系統的設計

研究的對象是由4臺皮帶傳輸機組成煤炭傳送系統，如圖1所示，為了保證傳輸系統的安全性與可靠性，傳送系統具備手動的控制與自動的控制兩種控制方法，這兩種的控制可利用轉換開關進行轉換，操作系統都安裝在控制室里，工作人員可利用觸摸顯示屏控制，觀察設備、傳送系統的工作狀態。4臺皮帶傳送機形成的傳送系統將利用PLC進行控制，設備工作狀態通過計算機控制監控來實現[1]。

為了達到傳送系統的高效性、安全性、可靠性，設計控制系統功能如下：

1）為了達到煤炭輸送的順序性，避免煤炭堆積，傳送系統設備的啟動按照 M4（PD4）→M3（PD3）→M2（PD2）→M1（PD1）的順序輸送煤炭的方向依次啟動，各皮帶傳輸機電機的啟動要依據需要間隔啟動的時間進行啟動，通過研究確定間隔時間為15 s。關閉傳輸系統是要從 M1（PD1）→M2（PD2）→M3（PD3）→M4（PD4）的順序方向停機，各皮帶傳輸機電機的停止時間的間隔要依據現場實際確定，通過研究確定間隔時間為30 s，這樣可以減少滯留于皮帶的煤炭[2]。

圖1 運輸煤炭系統的示意圖

2）在傳送系統工作的過程中，如果某臺傳送機出現故障，前面的皮帶傳送機與出現故障的傳送機將會自動停機，后面的皮帶傳送機繼續工作，直到煤炭傳送完成將自動停機。如：當M2（PD2）出現故障，M1（PD1）與 M2（PD2）將會立刻停車，M3（PD3）與 M4（PD4）將根據設定時間停機，也就是30 s后M3（PD3）停機，過 30 s后，M4（PD4）停機，控制的流程如圖2所示。

圖2 煤炭傳輸中各皮帶電機控制連鎖方式

3）為了保證傳送系統具有的安全性，防止不可預料的原因造成皮帶傳輸機故障，傳送系統內需引入急停裝置，可對4臺皮帶傳送機同時緊急停機。

4）為了提升傳送系統的工作效率，將皮帶驅動電機的速度設計為可調式，本文的研究是將皮帶傳送速度的控制形勢設計成無級的調速與分級的調速兩個方式[3]。

5）利用系統監控可實時掌握傳輸機的工作狀態，系統中各功能報警的裝置能夠保證皮帶傳輸機安全、可靠運行。

2 皮帶傳輸機程控器PLC的設計

2.1 PLC程控器

過去皮帶傳輸機的控制系統主要利用繼電器進行控制，繼電器與控制開關以及相應部件采用電纜連接，它的工作原理是利用繼電器觸點之間的串聯與并聯或延時元件實現邏輯方面的控制，這種控制系統容易受到環境因素的影響，控制定時的精度很低，工作時的頻率也很低，他只能完成簡單的邏輯方面控制。程控器PLC需要重新進行程序的編寫，PLC可根據程序指令實現對皮帶傳輸機的控制，它具有調整方便、控制精度高、控制速度快等特點，因為PLC各功能高度集成，可實現過程控制、傳動的控制、控制順序等應用，適用于各種復雜的控制，所以本研究為保證安全，降低成本，應用CPM2A歐姆龍程序控制器。

2.2 PLC程序系統控制結構

如圖3所展示的，在本次研究的項目中，工業用控制程序計算機被設定成為上位機，并同皮帶傳輸機的控制器PLC相聯接進行聯絡通訊。對各皮帶傳輸機工作運行的實時狀態進行采樣，如檢測皮帶出現跑偏和煙霧的信號以及電機的溫度和皮帶的堆煤等運行狀態信號，就會以數字或者是文字的信息形式在液晶屏上進行顯示。如果在檢測時發現超過標準和規定的數據信息就會自動發出警報，如果皮帶發生跑偏并超15°時就會自動發出警報，如果煙霧和溫度發生異常同樣會自動發出警報。當達到控制設定峰值的時候即會被強制自動停車[4]。

為了便于皮帶傳輸機進行調速，在本次試驗時預設了無級與分級兩種不同的調速方式，分級調速是指頻率在一定范圍中需要確定幾個均勻的速度當作頻率輸出，無級調速是指變頻器在設定頻率范圍之間進行的調速。

2.3 PLC程序控制系統

圖3 皮帶傳送系統的控制PLC控制流程

PLC程序控制情況如圖4所展示的。將PLC程序控制器進行加電，同時子程序開始執行初始化命令。然后是無級和分級變頻程序調速控制主導傳輸機進行調速工作，變頻調速范圍標準是0～60 Hz。選擇比較均勻的頻率當作頻率輸出，它們是6.2 Hz、11.5 Hz、5.8 Hz和50.4 Hz，從而實現皮帶傳輸機的四級頻率調速。并且調速的控制按鈕功能互鎖，只能支持一個頻率速度位功能存在，避免出現各個梯級的沖突。通過預設0～60 Hz范圍頻率內輸出無級設計調速，其中f=ax（0≤x≤16.5，x∈Z；a取經驗值3.27），如此即能通過x值的控制皮帶傳輸機調速。啟停聯鎖程序控制完成皮帶傳輸機啟動及其停車聯鎖，并且可以根據突發等意外情況對皮帶傳輸機進行部分或是全部停車。

圖4 PLC控制程序流程

3 PLC系統控制抗干擾程序措施

PLC系統控制程序具有的優勢是功能性強、性能穩定、有較強的抗干擾能力等。但若是處于強磁場或是強電場的高壓高頻影響之中，PLC系統控制器就會發生控制的精準度下降以及丟失數據等狀況。分析可知，PLC系統控制的干擾源一般分為引入電源線或是信號線造成干擾以及系統接地干擾。信號線以及電源線有可能會造成電磁場或是電流場的紊亂，接地程序系統紊亂則會導致接地點的傳輸電位不穩定不均勻，引發地環樣電流，這些情況都能夠對PLC系統控制產生影響。所以，需要采取有效措施進一步提高PLC系統控制抗干擾的基本能力[5]。

1）選取專用功能電源，把專用電源同其他運行設備的使用電源完全分開，從而避免其他運行的設備在進行啟停的時候影響供電專用電源。選取隔離式變壓器把系統的控制電源和PLC進行隔離，與此同時還要在隔離式變壓器同PLC之間加上濾波器，盡可能避免任何信號對PLC系統控制造成干擾。

2）在輸入交流頻率信號端將壓敏電阻并聯，在輸入直頻率流信號端將二級管續流并聯。在輸出直流頻率信號端接壓敏電阻，在輸出交流頻率信號端接壓敏電阻，在輸出晶閘管和晶體管端接電阻旁路保護。

3）PLC系統控制要選取一點直接的接地形式，同時需要盡量避免地環流導致的干擾，接地用電纜的截面不能比2 mm2低。接地用的電阻不能比100 Ω高，并且地線一定要使用專用的標準地線。

4 結語

井下煤礦皮帶傳輸機運行正常是保障穩定生產的基本條件，目前皮帶傳輸機大多使用的是人工技術控制，既費時又費力，而且運行的可靠性及穩定性都不能得以保障。作為目前最先進的現代PLC技術控制手段，把它應用于井下作業的皮帶傳輸機能夠極大地提高系統運輸自動化性能，能夠實時監測控制系統運輸狀態，還能夠通過改變PLC編程參數控制增減功能程序模塊實現PLC效果的提高。另外，對皮帶機尾煤或上部皮帶機頭煤量監視，可以減少皮帶空轉情況。PLC的控制技術是井下作業皮帶控制未來的發展趨勢。