基于PLC控制系統的皮帶運輸機故障報警設計

張 明

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

0 引 言

隨著煤礦礦井規模的不斷增大、礦山機械設備的不斷改進，隨著軟件技術的飛速發展，集中控制、智能控制正在逐漸成為皮帶運輸機的發展方向，目前，皮帶運輸機的“無人值守”已成為可能。然而，隨著井下工作面長度的不斷增大，皮帶運輸機作為煤礦井下運輸系統的主要設備也隨之加長，長距離的皮帶運輸常會出現皮帶斷裂、打滑、跑偏、撒料等故障，這些情況會導致減少皮帶運輸機壽命、破壞運輸系統安全等，嚴重威脅運輸系統穩定性。因此，設計含有皮帶運輸機故障報警甚至故障定位功能PLC控制系統監控運輸機工作狀態，做到有故障早發現、早解決尤為必要。

1 皮帶運輸機故障分析

煤礦井下運輸機一般都具有長度大、載重大的特點，動輒幾百上千米，在繁重的生產過程中，故障在所難免，主要有皮帶機跑偏、異常噪音、撒料、皮帶打滑、皮帶斷裂、減速機斷軸等，其主要特征及破壞程度如下：

1）皮帶跑偏。皮帶運輸機的皮帶正常以中軸對稱的U型覆于底部支架滾軸上載重運行，當皮帶中軸偏離支架中心，即為皮帶跑偏。皮帶跑偏在皮帶運輸機故障中占有較大比例，主要表現為懸空于運輸機支架上方、偏離運輸機支架兩側等兩種情形。皮帶跑偏一方面會造成大面積的撒料、堆積，增加不必要的人工成本；另一方面，長時間的跑偏使得皮帶兩側受力不均，引起撕裂，嚴重縮短皮帶正常使用壽命。

2）皮帶運輸機的撒料。皮帶運輸機撒料原因也是多方面的，常見原因有兩種。一種是皮帶懸空撒料；煤礦運輸巷道底板并不一定是水平的，而是隨著煤層走向而起伏，因此就造成了布置于其中的皮帶運輸機的起伏不平，在皮帶運輸機的低洼段，皮帶運輸機底座曲率半徑小于皮帶曲率半徑時，皮帶懸空，U型槽變平槽，煤炭撒落。另一種情況便是皮帶跑偏造成的撒料，皮帶兩側一高一低，煤炭從低側撒落，此時需要對皮帶進行糾偏。

3）皮帶打滑。皮帶打滑也是皮帶運輸機故障中較為常見的一種，表現為皮帶與轉軸無法同步轉動，致使皮帶與轉軸之間形成劇烈滑動摩擦，不必要的磨損嚴重縮短了皮帶運輸機的使用壽命。引起皮帶打滑的原因大多是因為張緊裝置上問題，張緊裝置一般有兩種，一種是重錘張緊，一種是螺旋張緊或液壓張緊。前者通過增加配重使皮帶張緊不再打滑，后者通過調整張緊行程來阻止皮帶打滑。

4）皮帶斷裂。根據經驗，皮帶皮帶斷裂往往是因為皮帶老化、磨損嚴重，斷裂部位主要發生在皮帶運輸機滾軸處和皮帶接口處，這兩處也恰是皮帶弱面或受力不均衡處，是重點監測的目標位置。

圖1 皮帶運輸機故障類型占比對比圖

如圖1所示，根據實踐調查，皮帶機跑偏和撒料是目前占比最高的兩項故障類型，根據PLC特點，本文選取皮帶機跑偏、撒料、皮帶打滑、皮帶斷裂等四項可實現且占比較高的故障類型納入PLC控制系統。

2 PLC故障報警控制系統設計

PLC可編程邏輯控制器有效融合了計算機、集中控制、通訊等多個領域的技術，與復雜的監控系統相比具有開發簡單、周期短、體積小、維護使用簡單、可靠性高等優點，尤其適用于煤礦井下惡劣的生產環境。設計采用PLC控制系統作為皮帶運輸機的運行狀態監測、故障識別報警的控制中心，可接入全礦井監控系統或單獨使用。

2.1 數據監測的系統設計

2.1.1 工作原理

圖2 PLC主控制流程圖

如圖2所示，系統初始化后，控制系統讀取傳感器數據，皮帶機會正常運行，通過配合使用傳感器設備完成基礎參數收集，參數包括皮帶跑偏傳感器角度、壓力值、皮帶拉力值、轉速差等，控制系統將傳感器反饋數據與系統設定安全值進行對比分析，超出安全值即啟動警報系統，并反饋相應故障位置。

2.1.2 PLC程序設計

1）程序語言。程序語言的選擇滯后于PLC型號的選擇，因此編程語言根據所選定的PLC決定，如西門子PLC-300采用STEP7 V5.5軟件進行編程。

2）功能實現。對系統功能的要求首先要明確系統任務內容、輸入輸出量的類型，需對統計數據進行哪種處理、處理方式以及結果等。

3）數據存儲。PLC控制系統涉及到一系列外部設備，以1s為間隔的數據存儲頻率向存儲空間輸送數據，不間斷的監測反饋會產生大量的數據記錄，在多臺輸送機聯合運行的情況下，數據量會更加龐大，加之皮帶跨度大、運行快，總體數據量會很大。

4）物理結構。根據物理結構的不同，PLC有整體式和模塊式兩種，一般情況下，整體式被多用于小型PLC系統，且價格低廉，性價比較高。

5）抗干擾能力選擇。PLC控制系統所處的工作環境要求其具有較強抗干擾能力，抗干擾能力考察貫穿于整個設計、安裝和運維過程，良好的抗干擾能力才能保證系統的電磁兼容性和運行可靠性。

6）通信能力。PLC的控制過程依賴于良好的通信能力，在通信能力的選定方面一定要預留后期增設的線路或端口，為后期增加系統能力預留空間。

2.2 數據監測的硬件設計

1）皮帶跑偏的數據監測。通過在皮帶運輸機底座兩側布置皮帶跑偏傳感器對跑偏情況進行數據收集，每隔30-50m布置一對（布置密度根據現場需要確定），當皮帶偏離角度超出設定值時，傳感器反饋警戒值，PLC控制系統啟動控制流程，顯示跑偏位置區段。

2）撒料的數據監測。在皮帶輸送機低洼處布置堆煤傳感器，堆煤傳感器數值向PLC控制系統實時傳送，當超出安全值時即啟動反饋機制，顯示跑偏位置區段。

3）皮帶打滑的數據監測。在皮帶運輸機端頭滾筒及皮帶中部設置速度傳感器，PLC控制中心通過監測對比兩者的速度差值判定是否產生打滑，并適時啟動控制系統。

4）皮帶斷裂的數據監測。在皮帶運輸機端頭張緊設備內設置拉力傳感器，皮帶運輸機正常運行過程中張緊力顯示為一定數值，當數值急劇減小時即判定皮帶斷裂。

如圖3所示，以皮帶跑偏故障為例，以上故障監測功能的實現過程為：皮帶跑偏→跑偏傳感器數據發送→數據存儲→皮帶跑偏模塊數據對比→超出安全值判定→皮帶跑偏聲光報警。

圖3 數據監測硬件布置示意圖

3 結 語

1）皮帶運輸機底座曲率半徑小于皮帶曲率半徑時，皮帶懸空，U型槽變平槽，煤炭撒落，應盡可能地采用較大的凹段曲率半徑來避免此類情況的發生。

2）基于PLC控制系統的皮帶運輸機故障報警設計實現了皮帶運輸機的故障定位、運輸機啟停等功能，提高了故障一次定位的準確性，減少了人力物力成本，提高了皮帶運輸機的效率。

3）該系統具有開發簡單、研發周期短、體積小、維護使用簡單、可靠性高等優點，尤其適用于煤礦井下惡劣的生產環境，在效率、實用性、經濟性等方面具有一定的推廣價值。