基于PLC 的礦用帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

羅賢虎

（霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦， 山西 洪洞 041600）

引言

帶式輸送機(jī)作為煤礦開(kāi)采作業(yè)的重要運(yùn)輸設(shè)備，承擔(dān)著煤炭由工作面運(yùn)輸至裝車(chē)站的重任[1]。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)中控系統(tǒng)主要通過(guò)主站與分站之間的通信實(shí)現(xiàn)集中控制，但是由于工作環(huán)境極其惡劣，單片機(jī)及集成電路組成的控制系統(tǒng)可靠性難以保證，同時(shí)也難以滿足遠(yuǎn)距離、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)化的要求[2-5]。可編程邏輯控制器PLC 在電氣控制中得到了極為廣泛的應(yīng)用，凸顯出了穩(wěn)定性高、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[6]，因此設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的意義。

1 帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警兩部分，能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)自動(dòng)化、智能化、可視化控制管理的目的。帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與集中控制，之后將采集的數(shù)據(jù)以通信的方式傳輸給工控機(jī)。設(shè)備操作者能夠通過(guò)工控機(jī)顯示的設(shè)備參數(shù)觀察其運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作控制，提高其監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。

圖1 帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2 帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主電路如圖2 所示，斷路器QF 主要控制主回路的通斷，電流流經(jīng)熔斷器FU之后為各回路電機(jī)供電，以免因回路中電流過(guò)大導(dǎo)致電機(jī)燒毀。電路中滾筒主電機(jī)的工作方式包括兩種，第一是工頻運(yùn)行，第二是變頻運(yùn)行。當(dāng)滾筒主電機(jī)處于變頻運(yùn)行工作方式時(shí)，交流接觸器KM1 處于吸合狀態(tài)，主電路為變頻器的A1、B1、C1 引腳供電，變頻器輸出端的U、V、W 分別與交流接觸器的KM3主觸點(diǎn)相連接。當(dāng)滾筒主電機(jī)處于工頻運(yùn)行工作方式時(shí)，交流接觸器KM1 處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)的交流接觸器KM2 處于吸合狀態(tài)，由交流接觸器KM3 負(fù)責(zé)主電路向滾筒主電機(jī)的供電控制。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主電路

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC 選型

監(jiān)控系統(tǒng)中的邏輯控制單元選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7 系列PLC，其具有極強(qiáng)的模塊化設(shè)計(jì)功能，能夠根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求完成功能模塊的配置，其具有程序存儲(chǔ)空間大、數(shù)據(jù)分析處理能力強(qiáng)、具有大規(guī)模的I/O 配置模塊等特點(diǎn)，因帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需要采集的狀態(tài)信號(hào)較分散，故而選擇ET200M分布式I/O 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2.2 電機(jī)選型

皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度為4 m/s、運(yùn)輸能力為2 000 t/h、運(yùn)輸傾角為0.5°，經(jīng)計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為341.4 kW，系統(tǒng)中擬選用的電機(jī)型號(hào)為YBSS-400（G），即輸送機(jī)用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠滿足煤礦工作面內(nèi)輸送帶正常運(yùn)行的需求。

2.2.3 變頻器選型

變頻器作為監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其能否安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系著整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。綜合考慮系統(tǒng)的功能需求，選擇QJR 系列礦用隔爆兼本安型變頻調(diào)速裝置。該變頻器能夠可靠應(yīng)用于煤礦開(kāi)采場(chǎng)所，即使存在煤塵、瓦斯等易爆氣體也能夠安全工作，完成交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速功能。

2.2.4 傳感器選型

帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中涉及的傳感器選型包括：KBW-220L 礦用隔爆往復(fù)式拉繩開(kāi)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸送機(jī)故障的人為停機(jī)功能；KBW-220P 礦用隔爆兩級(jí)跑偏開(kāi)關(guān)，應(yīng)用于帶式輸送機(jī)跑偏量的檢測(cè)；KBJ-220Y 隔爆打滑（欠速）開(kāi)關(guān)是一種非接觸式傳感器，配置在從動(dòng)滾筒的側(cè)面檢測(cè)輸送帶的運(yùn)行速度，監(jiān)測(cè)打滑；KBA 防爆按鈕開(kāi)關(guān)能夠適用于較為嚴(yán)酷的工作環(huán)境，適用于煤炭綜采工作面、礦山等場(chǎng)合工作；BZL-220B 隔爆縱向撕裂保護(hù)裝置，用于避免輸送機(jī)負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)皮帶的撕裂；KBZ-220 隔爆型位置開(kāi)關(guān)主要作用是保護(hù)帶式輸送機(jī)，是一種接近開(kāi)關(guān)，具有很好的防爆性與靈敏性。

3 帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件編寫(xiě)過(guò)程運(yùn)用了組態(tài)王工控軟件，基于帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，將其監(jiān)控系統(tǒng)整體劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、狀態(tài)顯示模塊、操作控制模塊及用戶管理模塊，具體功能模塊的監(jiān)控內(nèi)容如圖3 所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)采集模塊能否可靠地完成帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集工作。數(shù)據(jù)采集模塊主要由現(xiàn)場(chǎng)儀表和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊組成，承擔(dān)著將設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)傳感器件得到的信號(hào)采集至PLC 中進(jìn)行分析處理的工作，之后運(yùn)用通信技術(shù)將其傳輸至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，供用戶觀察及查詢。

圖3 帶式輸送機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)功能框圖

3.2 狀態(tài)顯示模塊

狀態(tài)顯示模塊主要完成現(xiàn)場(chǎng)模擬、狀態(tài)參數(shù)、趨勢(shì)曲線以及故障報(bào)警的實(shí)時(shí)顯示。其中現(xiàn)場(chǎng)模式顯示出帶式輸送機(jī)的布置情況及工作位置，并且實(shí)時(shí)顯示給操作人員；狀態(tài)參數(shù)顯示可以向操作者提供帶式輸送機(jī)各個(gè)參數(shù)的狀態(tài)信息；趨勢(shì)曲線顯示的主要內(nèi)容是實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，為帶式輸送機(jī)故障診斷提供歷史數(shù)據(jù)；故障報(bào)警顯示主要用于帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的故障判斷及報(bào)警提示。

3.3 操作控制模塊

監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分當(dāng)屬操作控制系統(tǒng)，操作人員能夠根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)，由操作控制模塊發(fā)出控制指令，如控制帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)和停止、改變輸送帶的運(yùn)行速度及輸送量、實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)控制模式的切換等。

3.4 用戶管理模塊

用戶管理模塊的主要作用是方便管理人員對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的管理，如用戶的配置、用戶查詢資料的權(quán)限等，其中管理員的權(quán)限最大，能夠進(jìn)行用戶權(quán)限的設(shè)置，根據(jù)需要對(duì)用戶進(jìn)行增添或刪減，同時(shí)也能夠設(shè)置用戶的權(quán)限、訪問(wèn)的區(qū)域、訪問(wèn)的時(shí)間等。

4 界面設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面需要滿足操作人員的操控要求，使其能夠通過(guò)控制界面中的按鈕完成帶式輸送機(jī)的操作控制，監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖4 所示，其能夠顯示電控系統(tǒng)中饋電開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀況并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，達(dá)到控制帶式輸送機(jī)啟動(dòng)停止的目的，也能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器功率的調(diào)整，進(jìn)而控制輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，還能夠?qū)崿F(xiàn)操作控制模式的切換及顯示驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行狀況功能。

圖4 系統(tǒng)主畫(huà)面

點(diǎn)擊實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面按鈕即可顯示出驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化曲線，以不同顏色的線條表示變化趨勢(shì)，也可以查詢一定時(shí)間范圍內(nèi)的模擬量變化趨勢(shì)曲線。點(diǎn)擊報(bào)表畫(huà)面按鈕即可顯示出監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表，并且可以通過(guò)報(bào)表的形式進(jìn)行打印。當(dāng)帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊報(bào)警畫(huà)面可以直觀地顯示故障的位置，并且提供一定的解決方案供維修人員參考。點(diǎn)擊PID 控制畫(huà)面可以對(duì)帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，如比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間等，以達(dá)到帶式輸送機(jī)正常工作的要求。

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦內(nèi)的帶式輸送機(jī)，連續(xù)運(yùn)行的3 個(gè)月時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定可靠，操作人員能夠靈活方便地完成帶式輸送機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)控制及遠(yuǎn)程操控工作，具有很好的人機(jī)交互性能，應(yīng)用價(jià)值極好。運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)出運(yùn)輸帶打滑1 次，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速異常2 次，維修人員均在監(jiān)控系統(tǒng)的指導(dǎo)下短時(shí)間內(nèi)完成故障修復(fù)，大大提高了帶式輸送機(jī)的利用率。