運輸膠帶機PLC自動化集中控制

李業剛

(宿州職業技術學院， 安徽 宿州 234000)

0 引 言

在使用年限不斷增加的過程中，煤礦開闊地區也在不斷擴大，強力膠帶運輸機屬于較為重要的井下輸煤運輸工具，有超過90%的煤礦都利用膠帶運輸機實現轉載，所以強力膠帶運輸機在煤礦開采過程中具有重要的作用。膠帶運輸機主要包括主膠帶運輸機和開采膠帶運輸機兩部分，開采煤礦利用采區膠帶運輸機到主膠帶輸送機中轉載，之后通過主膠帶運輸機實現最后煤礦輸送工作，膠帶運輸機的主要特點就是崗位多、線路長，并且具有較多的聯絡點，要求多個人員實現管理，對煤礦開采安全生產非常不利[1]。根據PLC集中控制系統實現膠帶運輸機管理，能夠使上述問題得到有效解決，從而實現全體煤礦膠帶運輸機集中控制，具有良好的效果。

1 PLC技術的構成

PLC系統主要包括五部分，分別為遠距離通信系統、工業電視單元、地面控制中心、控制單元及保護措施，都是較為重要的構成部分。遠距離通信系統能夠有效輔助煤礦膠帶機集控系統正常且高效地運行，還能夠使膠帶機集控系統遠距離實現信息數據傳輸，對系統正常運轉進行保證，并且遠距離通訊系統還存在故障報警功能，從而提供系統工作的保障，以此使膠帶機維護及兼修工作效率得到提高。PLC系統中的工業電視單元為集控系統中重點內容，能夠實時監控膠帶機在工作過程中的實際情況，在檢測過程中還能夠科學分析數據，之后利用直觀數據方式進行展現，從而有效掌握膠帶機實時情況，制定針對性的運轉決策。在PLC系統中，控制單元具有良好的性能，膠帶機系統能夠穩定高速地運行，從而使集控系統工作效率得到進一步的提高。PLC系統地面控制中心在集控系統中為主要部分,能夠實現自我監視和診斷，利用此控制器運輸系統，如果出現突發及異常情況，就會自動終斷運轉，并且實現警報，利用應用軟件校驗程序和故障，并對其進行檢測[2]。

PLC自動化集控技術控制回路利用較為先進的PLC控制器對傳統繼電器控制進行優化。PLC控制器具有微處理器的功能，能夠對外部信號進行收集，并且對其進行邏輯判斷，還能夠使判斷的結果傳輸到不同功能的執行元件中，從而使煤礦膠帶機控制能夠自動化。

PLC技術構成結構和PLC集中控制系統控制流程分別如圖1和圖2所示。

圖1 PLC技術構成結構

圖2 PLC集中控制系統控制流程

2 基于PLC自動化集控技術的運輸膠帶機硬件電路設計

2.1 系統概況

某礦業集團在河北省張家口市某村附近，為張家口市礦區中心地帶，礦井地質儲量為313.74 Mt，可開采的礦井儲量為177.08 Mt，設計能力為每年150 萬t，礦井服務年限為81.4,2006年10月份正式投產。煤礦井上膠帶機集中控制系統如圖3所示。

圖3 煤礦井上膠帶機集中控制系統

主要包括儲煤和裝車系統、篩分車間系統兩部分。

篩分車間系統主要包括主井至篩分車間膠帶輸送機、矸石運送膠帶機、矸石轉載膠帶輸送機、篩分車間內部的3條刮板機、6條揀矸膠帶輸送機等設備，其他膠帶輸送機都是儲煤和裝車系統[3]。

在設計方面要求此系統能夠實現兩種控制模式，分別為就地控制和集中控制。集中控制主要包括單機控制、連鎖控制等多種控制模式，能夠使操作人員根據現場實際情況靈活選擇，保證在系統正常運行過程中便于維護，并且操作較為靈活，在系統出現故障或者通訊中斷過程中，能夠有效保證皮帶設備正常運行，使系統穩定性得到進一步提高。

2.2 硬件部分設計

系統整體從上到下主要包括兩層，分別為就地控制管理層和集中控制管理層。集中控制層主要包括一臺交換機和兩臺上位機，在上位機運行過程中，兩臺上位機相互冗余，并且利用交換機直接連接現場設備，以此控制現場設備。就地控制管理層由交換機、PLC及膠帶保護裝置構成，PLC為整體控制系統核心，文中系統使用西門子公司S7-300。因為在實際使用過程中，儲煤子系統及篩分子系統具備相互閉鎖關系,所以，能夠使儲煤子系統和篩分子系統創建DP網絡。另外，篩分子系統PLC柜中還設置了以太網模塊CP341，使上位機利用交換機能夠和現場設備相互連接，以此實現集中控制[4]。

2.2.1 可編程控制器傳進/傳出設置

在設置傳進接口開關及停車等按鈕及異常顯示閃光器的過程中，利用一個傳進接口實現，并且在結束運行以后還要實現傳出接口的設置。在設置異常按鈕過程中，通過4個傳進接口實現，并且還要額外設置6只接口段以備以后設備的改造升級;其次，將馬達設置到傳出接口中,通過歐姆龍品牌中的30個接口和PLC微機對上述功能進行實現。可編程控制器主要特點為：

1)統一操作。具備大功率測算專效，還能夠結合高頻率，以規律間歇所發送的信號創建成為一體，以設置信號實現傳入，然后通過相應特點關系實現信號的傳輸。

2)及時分析測算。在接收信號傳輸過程中，是在設置50 ms以后進行及時分析得到的，快速地掃描一圈及1 Ms的時間控制器，對大范圍中的增加工作速度進行快速分析。

3)RS232接點。此機在內部中實現RS232C接口的設置，能夠與PLC簡單相互連通，對工作現場及可操作調節進行設置，并且對其進行監控[5]。

4)節約成本。市場中的可編程控制器成本較低，購買一個可編程控制器就能夠實現全部操作設備。基于常態工作背景下，要求結合傳外接口、信息及操作。輸送系統中將異常信息裝備的工作是利用傳外端口實現，假如存在異常情況，要以原設置信號的關系和異常信號傳外接口相互連接。輸入/輸出計劃安排見表1。

表1 輸入/輸出計劃安排

2.2.2 微機設置

PLC屬于現代較為先進的控制設備，其發展基礎是利用自動控制技術、通信技術及微電腦實現的，并且朝著更加先進的方向發展，使用范圍包括全部區域。PLC主要包括六部分，集中控制系統PLC的一般結構如圖4所示。

圖4 集中控制系統PLC的一般結構

主要核心包括I/O、CPU、存儲及電源模塊[6]，其主要特點為：

1)CPU。其為PLC核心，每臺可編程控制器都要求具備多個或者一個中央處理器，能夠以控制器實現程序驅動作用，利用循環掃描技術接收外部信號，運算分析后鎖存輸出信號。

2)I/O模塊。其能夠有效實現PLC對外的功能，利用不同I/O接口連接外界，用輸入輸出模塊中的點數保證模塊的數量及型號，但是模塊對于數量并不重視，大部分都是利用CPU基本配置能力對其實現管理。

3)存儲模塊。可編程控制器通過原本系統及用戶數據信息的存儲器實現存儲器的創建，能夠將系統程序存儲功能進行實現，用戶存儲器能夠實現PLC用戶程序的存儲。

4)電源模塊。大部分PLC模塊都是和CPU模塊相互結合的，只有小部分是分開的，其能夠根據不同PLC模塊集成電路實現工作電源的有效提供[7]。

2.2.3 皮帶電機選型和外部接線

設計中通過普通三相異步電動機，對于電機型號并沒有太多要求，文中使用Y2型異步電機，其屬于全密封自冷型馬達。Y2型馬達在工作過程中具有較大的工作穩定空間允許度，絕緣設計為B級，在運行過程中溫度持續升高，而且還能夠保證B級。設置F級銘牌、IP54國家安全防護等級。

優化定子相關結構，使其成為機身中的冷卻鏈，使工作平穩度及精度得到提高，降低聲音和原材料消耗，安裝過程比較方便，質量可靠，能夠長時間使用，在滿負荷工作效率中要高于前期產品。

2.2.4 其他硬件選型

1)接觸器。使用CJ29-10/16型接觸器,其中J和C分別指交流及接觸器，29是指設計過程中的編號，10/16是指主觸頭的額定電流。其中元件技術參數分別表示為：設置操作頻率1 200 /h，機電在使用過程中的壽命為1 000萬次，額定電壓380/220 V，主觸角額定電流10/16 A，功率2.5 kW。

2)熱繼電器。文中設計過程中使用JR16B-60/3D型熱繼電器，其中J和D分別指繼電器和帶斷相保護。設置額定電流為20 A，熱元件額定電流為32/4。

3)空氣開關。目前市場中的空氣開關型號比較多，通過對比，文中使用DZ10-100/330le空氣開關。系統額定電壓要比空氣開關額定電壓小。另外，系統機組負載電流要比控制開關超載保護器電流小，并且比空氣開關電流要小。

3 系統軟件設置

3.1 PLC模塊的安裝布置

在PLC模塊及設備安裝和拆卸過程中必須切斷電源，否則就會使PLC硬件、機械設備等出現誤動作、故障及損壞，還會導致火災、人身安全等情況。總體來說，在安裝PLC過程中要滿足以下原則：

1)對PLC的連接要求全部正確，尤其是控制電壓及電源電壓的種類、極性、電壓，都要認真檢查，保證正確。

2)要求PLC連接可靠、牢固，并且滿足規范。

3)導線連接的絕緣等級和線徑要使負載電壓、電流的需求得到滿足，并且根據標準規定設置導線顏色。

4)在斷電的時候才能夠實現PLC鏈接作業，要求具有相應專業資格人員進行實施。

5)在PLC斷電過程中實現PLC模塊和電纜連接的插拔，根據規定方法及步驟實現。

6)在對PLC檢查以前，要利用接觸接地金屬部件，將人身體中的靜電釋放。

根據以上PLC接線原則，PLC實際接線圖如圖5所示。

圖5 PLC實際接線圖

3.2 PLC編程

3.2.1 STEP7概述

STEP7編程軟件是西門子公司專門為S7系列PLC開發設計的應用軟件。STEP7基本功能就是使用戶實現應用軟件開發和調試，比如創建用戶程序，編輯原本用戶程序。通過此軟件實現PLC參數及工作方式的設置，對用戶程序進行上傳和下載，實現程序運行及監控等功能。STEP7編程軟件中的SIMATIC指令集包括功能塊圖、梯形圖及語句表三種語言。

模塊化編程思想的實現是通過將系統控制需求劃分為PLC程序控制任務，然后對劃分的小程序進行編輯，使不同的程序塊都能夠相互獨立，功能比較單一，而且結構清晰，利用此種編程方法能夠進一步降低編程難度，并且程序質量比較高，避免重復性勞動。模塊化編程的主要優勢為：

1)總體響應速度比較快。使控制系統劃分為子程序及主程序，控制系統總體響應速度得到了提高。

2)控制程序劃分成為多個子程序，通過多人共同開發，實現各分部功能之后再將子程序都歸并到控制程序中。

3)在以用戶需求對程序更改的過程中，對于不同控制任務，可通過切換程序以滿足需求。

4)因為能夠多人根據任務分工實現修正及調試，從而使工作效率得到進一步提高。即便是在控制需求改變的時候，只需要更改部分程序，從而使施工更改之后控制需求得到實現，便于維護。在調試過程中能夠容易實現各相關程序之間的數據地址匹配。并且不需要程序之間地址重復性的檢查，使程序調試及修改效率得到進一步提高。

根據模塊化編程思想，此系統程序主要包括故障程序及主程序。合理設計系統PLC程序，劃分程序模塊。主程序能夠簡單控制系統，此部分對皮帶電機進行啟動及停止，對保護沒有需求。故障程序能夠實現撕裂、跑偏、溫度、急停等。

3.2.2 主程序設計

主程序為程序管理調度者，能夠對電機運轉進行控制，主要包括全線啟停、自動啟停及手動啟停。系統流程如圖6所示。

圖6 系統的流程

3.2.3 故障程序的設計

利用傳感器進行監測，在PLC中傳輸信號，利用PLC內部邏輯電路進行控制。在故障出現過程中，故障指示燈就會亮。上位機主畫面中故障指示燈會變紅，報警文檔中出現故障信息，并且皮帶機運轉就會自動停止。排除故障之后，將復位按鈕按下，熄滅故障指示燈，上位機故障指示燈就會變綠。在緊急情況出現過程中，將拉線開關拉下，那么皮帶機運行就會停止。皮帶故障流程如圖7所示。

圖7 皮帶故障流程

3.2.4 抗電源干擾

目前煤礦膠帶輸送機在實際運行過程中還會出現電源干擾，從而對相應作業有效開展是非常不利的。作業人員根據PLC集中控制技術實現相應管理作業的過程中，使抗電源干擾作業得到進一步加強。作業人員在此過程中能夠根據以下措施實現操作：首先，使微處理器處理得到進一步加強，從而使各項作業能夠順利開展；其次，屬于PLC核心的部件，要求作業人員能夠對其實現多級濾波處理，從而保證其在運行過程中使欠電壓、過電壓的影響得到緩解；另外，使交流電引進線的使用得到進一步加強，在此過程中，要求作業人員盡量使用長度比較短的引進線，從而保證引進接口部分能夠和低通濾波器及變壓器接近，以此開展各項工作[8-9]。

4 結 語

煤礦膠帶運輸機控制過程中的主要特點就是崗位比較多，線路比較長，在此過程中使用PLC集中控制系統，能夠節約大量的物力、人力，還能夠在比較惡劣的環境中長時間工作，從而使正常運行得到保證，煤礦膠帶運輸機控制效果得到進一步提高。PLC集中控制系統的開展可靠性比較高，能夠在煤礦膠帶運輸機中使用，從而保證煤礦安全生產和經濟效益。