基于PLC的煤礦運輸控制系統(tǒng)設計

田敬成，孫艷波，袁文彬

（南山集團，山東煙臺265713）

基于PLC的煤礦運輸控制系統(tǒng)設計

田敬成，孫艷波，袁文彬

（南山集團，山東煙臺265713）

針對目前煤礦傳送機提高安全性、降低故障率的要求，以及能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控的情況，設計了煤礦皮帶智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由PLC、DTU、觸摸屏、上位機等組成，能夠檢測皮帶運行時的各種參數(shù)，并通過GPRS無線網(wǎng)絡遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，對設備進行實時監(jiān)控，能通過短信的方式實現(xiàn)遠程報警，實現(xiàn)無人值守。實踐證明，本設計管理方便，故障率低、生產(chǎn)效率得到了極大的提高。

煤礦；皮帶；PLC；上位機；GPRS

皮帶機的綜合自動化控制是整個礦井實現(xiàn)自動控制的重要組成部分。目前對膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)存在的主要問題有：

（1）在安全保護方面，為提高皮帶輸送機運行的可靠性，安全性，減少故障，提高效率，多種檢測方法已應用于電動機、液力偶合器、減速器和膠帶運行系統(tǒng)故障檢測，但是這些系統(tǒng)是相互獨立的。

（2）故障檢測系統(tǒng)誤報率高。誤報將造成皮帶輸送機不應有的停機，使全礦井停產(chǎn)，對礦井生產(chǎn)造成極大影響。

（3）皮帶機的控制、運行、保護等信息不能較好的與礦井其他控制系統(tǒng)共享，不能與整個礦井信息系統(tǒng)的集成。視頻監(jiān)視系統(tǒng)不規(guī)范，沒有語音通訊功能，不能實現(xiàn)無人值守。

針對上述的情況，設計了以PLC為核心的運輸機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了安全性提高、故障率降低等要求，通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和無人值守。

1 系統(tǒng)的總體設計

本設計主要由PLC、DTU、觸摸屏、上位機等組成，PLC作為本系統(tǒng)的控制器檢測煤礦皮帶的各種參數(shù)，對相應設備進行控制并通過GPRS無線網(wǎng)絡遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，對設備進行實時監(jiān)控，并且能通過短信的方式實現(xiàn)遠程報警，方便管理，故障率低、生產(chǎn)效率高。運用基于組態(tài)王軟件構造創(chuàng)建集控系統(tǒng)主機界面，對整個系統(tǒng)實施監(jiān)控。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)采用S7-200PLC，CPU224適用于開關量不是很多的中小型控制系統(tǒng)中，其自身帶有兩路模擬量輸入和一路模擬量輸出。

2.1 自動機傳送帶

該自動傳動帶具有漲緊輪，通過變頻器的PID控制實現(xiàn)傳送帶的恒張力控制，使用傳送的功率和效率保持不變，帶傳動的缺點是動力可能不足，需增加備用動力電機。

2.2 故障檢測及保護

由于傳送帶的工作環(huán)境差，距離較長，很容易造成損壞，主要原因如下：

（1）皮帶重量不一，應用一段時間，張力會下降，會造成運輸困難等，并且皮帶易被尖銳物品劃破。

（2）當皮帶跑偏時，會與機械部分產(chǎn)生摩擦造成損壞。

（3）皮帶搭接部分不符合要求。如果接頭不齊，容易造成摩擦，產(chǎn)生破損、腐爛，造成皮帶受力不均勻而破裂。

2.3 人機界面HMI

人機界面和上位機是工作人員與PLC進行通訊的界面，是系統(tǒng)用戶之間信息交換的媒介[6]。人機界面由軟件程序和硬件電路兩部分組成，使用者必須先使用HMI得畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，設置各個開關按鈕，以及可以顯示各個參數(shù)，再通過PC機和HMI的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行，可顯示歷史報表，歷史曲線，實時報表，實時曲線等。

2.4 DTU與組態(tài)王之間的數(shù)據(jù)傳遞

無線傳輸模塊DTU，是實現(xiàn)遠程監(jiān)控的重要模塊，其作用是能將485信號通過GPRS無線網(wǎng)絡實現(xiàn)傳輸，傳輸速率可達187.5 K，支持UDP和TCP兩種方式傳送，目前無線傳輸有兩種方式，一種是固定IP，另一種為動態(tài)域名解析。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)程序及工作方式

（1）公共操作是在每次掃描程序前進行自檢，若發(fā)現(xiàn)故障，除了故障燈外，還可判斷故障性質：一般性故障，只報警不停機，等待處理；嚴重故障，則停止運行用戶程序，此時PLC切斷一切輸出聯(lián)系。

（2）數(shù)據(jù)I/O操作

數(shù)據(jù)I/O操作也稱為I/O狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一個是采樣輸入信號，即刷新輸入狀態(tài)表的內容；二是送出處理結果，即用輸出狀態(tài)表的內容刷新輸出電路。

（3）執(zhí)行用戶程序操作

在程序執(zhí)行前復位監(jiān)控定時器T1，即執(zhí)行程序并開始計時。監(jiān)控定時器T1就是通常所說的“看門狗”，它是用來監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常的，正常時，執(zhí)行完用戶程序所用的時間不會超過T1的設定值，執(zhí)行完用戶程序后立即使“看門狗”復位，表示程序執(zhí)行正常。當程序執(zhí)行過程中因某種干擾使掃描失控或進入死循環(huán)時，“看門狗”會發(fā)出超時報警信號，使程序重新開始執(zhí)行。如果是偶然因素造成超時，重新掃描程序不會再遇到“偶然干擾”，系統(tǒng)便轉入正常運行；若由于不可恢復的確定性故障，則系統(tǒng)會自動地停止執(zhí)行用戶程序、切斷外部負荷、發(fā)出故障信號，等待處理。

3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

限于文章篇幅，僅給出電動機定子溫度檢測子程序和DTU與S7-200PLC之間的數(shù)據(jù)傳遞子程序。

3.2.1 電動機溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)處理子程序

子程序如2所示，調用模擬量輸入庫指令塊。AIW0是定子溫度1的輸入值存儲地址，PT100測量的實際溫度變成4-20MA與輸入PLC.VD100是定子溫度1實際溫度存儲地址變量。

圖2 電機溫度監(jiān)測子程序

通過PLC內部計算得到實際的模擬量值，并且在觸摸屏以及上位機上實時顯示。

3.2.2 通訊程序

S7-224XP PLC的POT0口支持MODBUS RTU從站協(xié)議，通過標準485通訊口連接到DTU，PLC端口，為3正8負，在程序中可將要傳送的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)區(qū)，即可實現(xiàn)自動傳輸。實際PLC和DTU、組態(tài)王之間，DTU只起到過渡作用，相當于遠程透明傳輸。

采集的現(xiàn)場信號通過遠程通訊方式上傳到上位機，為使通信安全可靠且容易實現(xiàn)，采用MODBUS通訊協(xié)議，PLC中的子程序如圖3所示，只要有手機信號的地方都能實現(xiàn)遠程傳輸，傳輸范圍廣，通訊程序如下。

4 系統(tǒng)的調試仿真

4.1 系統(tǒng)的調試與仿真

（1）檢測的溫度，濃度信號不準確，有偏差

傳感器發(fā)出的為4-20MA信號，兩線制，需檢查正負是否接反，4-20MA在PLC程序中要寫入，若寫入0-20MA則檢測也是不準確，傳感器的量程也要寫入PLC，若寫錯量程則測量精度也是不準確。

（2）觸摸屏與PLC聯(lián)機不上

PLC與觸摸屏連接不上，需檢查觸摸屏的程序設置與觸摸屏的是否一致，檢查觸摸屏程序PLC型號設置是否正確，PLC的通訊地址是否設置正確，觸摸屏的通訊口是否選擇串口通信等。

（3）電腦與遠傳模塊連接不上

遠程傳輸模塊需通過電腦進行設置，電腦系統(tǒng)需采用XP或WIN7 32位系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)終端，WIN7系統(tǒng)不自帶數(shù)據(jù)終端，需要用軟件輔助實現(xiàn)，遠程模塊需采用USB轉串口線實現(xiàn)通訊。

（4）檢測的傳感器信號波動比較大

傳感器的檢測波動比較大時，需檢查各個模塊是否接地，實現(xiàn)信號屏蔽，信號地與變頻器等強電地不能接到一塊，否則會有相反的作用。

（5）急停

報警時產(chǎn)生報警信息Q0.5報警燈亮，按下I0.3緊急停止，M0.4緊急停止標志得電實現(xiàn)M0.4停止輸出。

（6）模擬量輸入

模擬量由AIW0輸入，AIW0是字故而轉換成實數(shù)，因為量程是0~200℃，經(jīng)過計算調試除以640，得到實際溫度存在VD8中。

5 結束語

皮帶運輸是煤礦生產(chǎn)的重要組成部分，本論文采用西門子PLC代替原有的繼電器控制系統(tǒng)，在實際應用中故障率大大降低，提高了其自動化程度和整個系統(tǒng)的安全性，實現(xiàn)了無人值守和遠程監(jiān)控，提高了生產(chǎn)效率，具備很大的推廣價值。

[1]劉敏，鐘蘇麗．可編程控制器技術項目化教程[M]．2版.北京：機械工業(yè)出社，2011．

[2]李方園．西門子S7-200PLC從入門到實踐[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

[3]史國生．電氣控制與可編程控制器技術[M]．南京：東南大學出版社，2011．

[4]張萬忠．可編程控制器應用技術[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2012．

[5]杜從商．PLC編程應用基礎（西門子）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2015．

[6]蔡杏山．西門子S7-200PLC技術[M]．北京：人民郵電出版社，2012．

[7]郭丙君，黃旭峰．深入淺出PLC技術及應用設計[J]．深入淺出PLC，2011（1-3）：31-33．

[8]楊東，黃永紅，張新華，等．用PLC基本指令實現(xiàn)自動運動定位控制的研究[J]．微計算機信息，2012（2-1）：62-64．

[9]俞潔，李旭芳．西門子S7-200系列PLC通訊功能與應用[J]．機械工業(yè)自動化，1999（1）：30-35.

[10]姜華．礦井膠帶運輸計算機控制系統(tǒng)[D]．北京：中國礦業(yè)大學，2012．

[11]G.L.Batten．Prpgrammable Controllers：hardware.Software And Application[M].New York：MC Graw-Hill，2012．

[12]王兆義．小型可編程控制器應用[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，2013．

[13]馬洪禮．CST可控傳輸系統(tǒng)在長運距帶式輸送機的應用[J]．煤礦電，2014（3）：53-55.

Design of Coal Mine Transportation Control System Based on PLC

TIAN Jing-cheng，SUN Yan-bo，YUAN Wen-bin
（Nanshan Group，Yantai Shandong 265713，China）

In this paper，based on the current situation of coal mine production transportation，design of coal mine belt intelligent control system，mainly composed of PLC，DTU，touch screen，and other components of the upper machine，PLC as the controller of this system to detect the various parameters of the coal mine belt to the appropriate equipment to control and remote transmission to the monitoring center through GPRS wireless network，realtime monitoring of equipment，and can realize the remote alarm through text messages and convenient management，low failure rate，high production efficiency.This system using the control system based on kingview software construction to create sets the host interface，to monitor the whole system.

coal mine；belt；PLC；upper computer；GPRS

TP278

A

1672-545X（2017）06-0038-03

2017-03-04

田敬成（1978-），男，山東濰坊人，研究生，工程師，研究方向：電氣自動化。