基于PLC的煤礦帶式輸送機監(jiān)控系統設計與探討

馬永兵

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司寺河煤礦二號井，山西 晉城 048000）

帶式輸送機作為煤礦生產中重要的運輸設備，在散狀、塊狀物料的運輸中具有重要作用，被廣泛應用在于煤礦物料運輸過程中。帶式輸送機在長時間連續(xù)工作過程中，往往會出現打滑、跑偏、發(fā)熱等故障，影響其工作效率。本文通過分析上述故障原因，設計相關檢測方案，實現故障在線監(jiān)測與故障報警，提高了煤礦帶式輸送機運輸系統的穩(wěn)定性[1]。

1 帶式輸送機運輸系統常見故障分析

帶式輸送機工作環(huán)境復雜，容易受到外界的干擾產生電氣故障，影響其正常工作。以下對帶式輸送機工作過程中的常見故障進行分析，得出不同類型故障的特點。

1.1 跑偏故障

煤礦帶式輸送機運輸的物料主要是散裝和塊狀的煤炭，當不同大小、形狀的煤炭散落在帶式輸送機上時，輸送帶表面承受的重量往往不均衡，造成物料的重心不是分布在輸送帶中心線上，此時，如果體積大的塊狀物料集中散落在的一邊，對輸送帶產生較大的壓力，使得輸送帶在運輸過程中發(fā)生傾斜。在實際生產過程中，在漏斗下方增加緩沖裝置，對下方物料減少塊狀物料對輸送帶的沖擊[2-3]，現場見圖1。

圖1 漏斗緩沖

1.2 打滑故障

帶式輸送機的動力來源是輸送帶下方旋轉的滾筒，通過滾筒與輸送帶之間的摩擦力實現物料的運輸，當輸送帶上方的散裝物料落入輸送帶與滾筒之間，將會降低膠帶與滾筒之間的摩擦力，使兩者的運動不能同步，進而發(fā)生打滑故障，若不能及時處理，會增加輸送帶溫度甚至產生明火。

1.3 發(fā)熱故障

帶式輸送機需要根據現場的工況進行頻繁啟動和停止，當漏斗控制和輸送帶運行不能合理配合時，會在輸送帶上堆積大量的煤礦物料。在滿負荷啟動的過程中，滾筒電機最大功率輸出，容易產生發(fā)熱的現象，由于井下條件復雜，充滿著煤粉和瓦斯氣體，一旦出現明火將會造成非常大的安全事故，

2 硬件電路設計

2.1 系統總體結構

帶式輸送機運輸監(jiān)控系統見圖2，一般由上位機調控子系統、井下集控站、電氣控制子系統等部分組成，各個子系統之間通過阻燃電纜進行連接，進行實時通訊。其中，上位機調控模塊位于地面調度中心，主要實現對煤礦中所有電氣設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測與實時工況信息的存儲，并可以下達控制指令，是整個煤礦自動化系統的控制核心；電氣控制模塊主要以PLC作為控制核心，通過相關數據采集和分析，實現對故障的實時顯示和在線診斷，是實現煤礦自動化的核心；命令執(zhí)行模塊包括各種傳感器和繼電器設備，可以根據PLC和上位機的操作指令對系統運行參數進行檢測，為帶式輸送機的故障診斷提供基礎性數據，是各種故障診斷的基礎。

基于PLC的電氣控制子系統包括電源輸入模塊、UPS電源模塊、通訊模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊。主控制器選型為S7-300，具有計算快、體積小的特點，并可以根據工程需要安裝相關的擴展模塊。現場監(jiān)測數據通過RS-485總線上傳給井下集控站，進行數據處理與存儲，集控站的檢測信息和現場操作指令通過以太網傳輸到地面調度中心。

圖2 帶式輸送機運輸監(jiān)控系統結構

2.2 PLC及相關模塊選型

S7-300是西門子公司生產的具有極高穩(wěn)定性的工業(yè)可編程邏輯控制器，體積小、功能穩(wěn)定，具有統一的指令集，包括通訊指令、位指令、時鐘指令等，可以通過邏輯編程實現不同的功能，采用模塊化的設計，增加工業(yè)使用的靈活性。被廣泛應用在工業(yè)生產、工廠自動化等領域[4]。外圍模塊選型如下：

電源模塊選型為6ES7 307-1KA01-0AA0，可以實現220VAC到24VDC的轉換，為CPU及相關的外圍模塊進行供電；模擬量輸入模塊選型6ES7 331-7kf02-0ab0模塊，具有8點模擬量輸入，輸入電壓范圍是0～5V；數字量輸入模塊選型6ES7321-1BL10-0AA0模塊，采用光電隔離技術，增加信號輸入采集的可靠性；數字量輸出模塊選型6ES7322-2BH01-0AA0模塊，利用晶體管輸出數字信號，輸出電流最大2A。

2.3 故障檢測電路設計

帶式輸送機工作過程中的常見故障包括打滑、跑偏、發(fā)熱等，在故障檢測電路中，通過傳感器對輸送帶運行中相關參數的實時監(jiān)測，實現對故障類型的判斷，將故障信息上傳給上位機，提示操作人員進行處理。

（1）跑偏故障

在輸送帶跑偏故障的檢測中，一般通過使用行程開關檢測輸送帶的偏移位置判斷輸送帶是否發(fā)生跑偏故障，當輸送帶的某一個部分觸碰到行程開關時，開關啟動，控制電路的關斷。行程開關的選型為LXW5-11G1系列，正常工作時的極限角度為75°，外殼防護等級為IP65，具有自動復位功能，安裝見圖3。行程開關安裝在輸送帶的左右兩側，在前、中、后三個部分分別安裝三對，通過與安裝支架的連接進行固定。

圖3 行程開關安裝

（2）打滑故障

打滑故障時帶式輸送機運輸系統常見的故障之一，會造成漏斗下煤炭的積累并形成輸送帶堵塞。在輸送帶打滑故障中，一般選擇接近開關計算滾筒的旋轉周期，并將監(jiān)測信息發(fā)送給現場PLC控制器。本系統中接近開關選型為DH-Ⅱ，在輸送帶滾筒軸端焊接鐵片，滾筒每旋轉一周，接近開關接收一個脈沖信號，通過計算一定時間內滾筒的圈數與輸送帶的實際位移量進行對比，判斷輸送帶打滑的程度。檢測原理見圖4。

圖4 接近開關原理

（3）發(fā)熱故障

當輸送帶的運行過程中出現卡死或者輸送帶上煤炭重量太大時，滾筒啟動困難，容易出現發(fā)熱故障。本系統中對發(fā)熱故障的檢測使用PS-300V紅外測溫儀，該傳感器的測溫范圍是0℃～300℃，輸出電壓信號范圍是0V～5V，測溫精度±0.1%。電氣連接方式見圖5。

圖5 測溫電路電氣連接

在安裝過程中，將紅外測溫儀的頭部對準滾筒，安裝于距離12 cm的位置上，保證被測物體在監(jiān)測范圍內，并保證傳感器的測量精度。

3 系統軟件設計

S7-300系列的PLC的編程軟件選擇STEP7軟件，通過該軟件可以方便地進行程序編程與調試，采用模塊化的編程思想，可以方便地根據不同模塊的功能進行獨立調試，降低了編程的總體難度[5-6]。此外，STEP7軟件還可以提供簡單語法檢查、程序加密等功能。

3.1 編程軟件介紹

STEP7軟件是西門子公司專門為S-7系列的PLC提供的編程軟件，包含三種編程方式：語句表、梯形圖、功能塊圖。其中，梯形圖對編程人員的要求較高，需要有豐富的編程經驗，但是，相比梯形圖、功能塊圖可以實現更多的功能[7]；梯形圖的原始理論基礎是電氣結構圖，形象、直觀地展示程序思想；功能塊圖是基于數字電路結構的編程語言。

3.2 軟件實現流程

基于PLC的煤礦帶式輸送機控制系統的軟件流程見圖6，系統工作后，首先選擇輸送帶工作方式，在自動啟停的工作模式下，現場采集信號傳輸給現場PLC控制箱，輸送帶的運行方式由PLC控制，值班人員工作任務主要是監(jiān)視PLC系統的工作情況；在手動啟停的工作模式下，現場檢測信號不通過PLC控制箱，現場控制繼電器完全由值班人員控制。

圖6 軟件流程

4 結語

通過分析帶式輸送機運輸系統常見故障，設計煤礦帶式輸送機集控系統，包括主控制器選型、系統的故障檢測電路等，實現故障檢測與控制功能。在完成相關電路調試后，本監(jiān)控系統可用于煤礦現場生產中，通過對現場工作情況的分析，進一步優(yōu)化系統、提升性能。