PLC控制技術(shù)在煤礦井下皮帶運輸機故障報警設(shè)計中的應(yīng)用

韓方超

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西高平048400）

近年來隨著我國煤礦裝備的自動化、信息化和智能化的不斷發(fā)展，煤炭產(chǎn)業(yè)也在進(jìn)行相關(guān)新技術(shù)的探索和嘗試，皮帶運輸機的集中控制、自動控制已在我國部分煤礦得到應(yīng)用。然而，隨著煤礦開采技術(shù)的不斷提高，工作面走向長度不斷增加，作為井下主要運輸裝備的皮帶運輸機也隨之不斷加長。皮帶運輸機的長距離運行經(jīng)常會出現(xiàn)跑偏、撒料、打滑、撕裂等故障，這些故障的出現(xiàn)會影響井下正常生產(chǎn)作業(yè)、減少皮帶運輸機使用壽命，嚴(yán)重會引發(fā)皮帶運輸安全事故。因此，采用PLC控制技術(shù)設(shè)計一套故障報警和定位控制系統(tǒng)，用來實現(xiàn)皮帶運輸機故障判定和快速故障區(qū)域定位，便于人員快速處理皮帶故障，減少人工查找故障發(fā)生地點及故障原因的時間，提高生產(chǎn)效率顯得尤為必要。

1 皮帶常見故障類型及原因分析

煤礦井下皮帶運輸機作為一種長距離物料運輸設(shè)備，具有運輸距離遠(yuǎn)、運行時間長等特點，受井下巷道底板起伏不平、安裝精度不準(zhǔn)確及日常維護(hù)保養(yǎng)不到位各種因素的影響，在長時間的生產(chǎn)運輸過程中，皮帶運輸機很容易出現(xiàn)故障。經(jīng)常出現(xiàn)的故障種類及原因分析如下：

（1）皮帶運輸機撒料。皮帶運輸機在運行過程中撒料一種原因是因為皮帶跑偏，皮帶兩邊個高低不平，造成皮帶上裝載的物料受側(cè)向力作用撒落出來。另一種原因是因為受巷道底板起伏不平影響，皮帶在安裝過程中出現(xiàn)凹凸不平地段，皮帶張緊后造成凹段皮帶懸空，運行過程中造成物料撒落。

（2）皮帶運輸機跑偏。皮帶運輸機跑偏即為皮帶的中心與皮帶支架中心不在一條中心線上的現(xiàn)象。皮帶跑偏一方面會造成撒料，需安排人工清料，增加投入；另一方面皮帶與皮帶支架長時間發(fā)生摩擦，造成皮帶邊緣磨損和皮帶架損傷，縮短了皮帶服務(wù)年限，同時會造成皮帶接頭處斷絲卷入皮帶支架中，從而引起皮帶撕裂，形成安全隱患，嚴(yán)重時會造成斷帶事故發(fā)生。

（3）皮帶運輸機異常噪音。皮帶運輸機異常噪音是皮帶在運行時其托輥、滾筒、電機或減速器等裝置在不正常時發(fā)生的異常響聲。主要表現(xiàn)有托輥嚴(yán)重偏心時的噪音、聯(lián)軸器兩軸不同心時的噪音、改向滾筒與驅(qū)動滾筒的異常噪音、電機或減速器出現(xiàn)故障時的噪音等。

（4）皮帶運輸機打滑。皮帶運輸機打滑是皮帶在運行過程中，皮帶與輥筒摩擦力不夠，造成皮帶與輥筒無法同步轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。造成皮帶打滑的原因主要有皮帶張緊力不夠，皮帶重載荷啟動，皮帶沾水粘油、皮帶滾筒表面包膠磨損嚴(yán)重等造成皮帶與皮帶滾筒表面摩擦系數(shù)減小。

（5）皮帶運輸機撕裂。皮帶運輸機撕裂常見的主要有皮帶磨損嚴(yán)重造成皮帶強度降低造成斷裂；皮帶跑偏引起扯邊，輸送物料中夾雜的銳利、堅硬的超長物料造成皮帶刺穿；皮帶接頭處遭受大塊金屬物料或矸石的長時間激烈沖擊，皮帶膠層破損，造成皮帶鋼芯斷絲，在長期拉伸、承載的影響下鋼芯暴露出來被卷進(jìn)托輥、轉(zhuǎn)向滾筒等部件內(nèi)，隨皮帶運轉(zhuǎn)而被抽出造成皮帶撕裂。

圖1 皮帶運輸機故障類型對比圖

根據(jù)全國煤礦各類皮帶故障類型的統(tǒng)計調(diào)查分析，從圖1中可以看出，皮帶跑偏目前在煤礦井下皮帶運輸機發(fā)生的故障類型中所占比例最高。根據(jù)PLC技術(shù)特點，本文選取皮帶運輸機故障類型占比最高且可實現(xiàn)監(jiān)測的前四項故障類型作為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容。

2 PLC故障報警系統(tǒng)設(shè)計

PLC技術(shù)采用了微電子、計算機、通訊等多個領(lǐng)域的技術(shù)，其編程邏輯控制功能可以通過軟件編程來實現(xiàn)，因此，當(dāng)生產(chǎn)機械或生產(chǎn)工藝發(fā)生變更時，只需改變程序或變更一下接線端子就可以了。PLC系統(tǒng)具有可靠性高、開發(fā)簡單、通用性高、維護(hù)使用簡單等優(yōu)點，對于煤礦井下生產(chǎn)條件復(fù)雜、環(huán)境較為惡劣的環(huán)境非常適用。設(shè)計將PLC控制系統(tǒng)單獨適用或者接入全礦井監(jiān)控系，作為皮帶運輸機的控制中心，對皮帶運輸機的運行狀態(tài)、故障進(jìn)行自動監(jiān)測、分析和報警。

2.1 故障報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1.1 工作原理

皮帶運輸機發(fā)出啟動信號，PLC控制系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化，通過傳感器設(shè)備的配合，將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)被讀取未發(fā)現(xiàn)異常后，皮帶運輸機開始正常運行，控制系統(tǒng)完成皮帶運行期間各類基礎(chǔ)參數(shù)的收集，并將收集的數(shù)據(jù)實時與系統(tǒng)設(shè)定的安全值進(jìn)行分析對比，若反饋的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的安全值，控制系統(tǒng)立即發(fā)出警報，并反饋故障類型及發(fā)生故障的區(qū)域。見圖2。

2.1.2 PLC編程設(shè)計

（1）編程語言選擇。PLC的編程標(biāo)準(zhǔn)有5種PLC編程語言，不同的商家的PLC采用不同的程序語言，其選擇是根據(jù)所選定的PLC決定，如西門子S7-300、S7-400等采用的編程軟件為STEP 7 V11-TIA Portal。

（2）數(shù)據(jù)存儲能力設(shè)計。各類設(shè)備在運行期間，通過控制系統(tǒng)不間斷的監(jiān)測反饋產(chǎn)生設(shè)備運行的各類數(shù)據(jù)記錄，以固定時間為間隔向存儲空間輸送數(shù)據(jù)，因皮帶跨度大、運行快，總體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量會很大，且在多臺輸送機聯(lián)合運行的情況下，數(shù)據(jù)量會更加龐大。

（3）物理結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將PLC分為整體式PLC和模塊式PLC兩種類型，整體式又叫做單元式或箱體式，它的體積小、價格低，CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一個箱狀機殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，一般情況下，整體式被多用于小型PLC系統(tǒng)。模塊式PLC用搭積木的方式組成系統(tǒng)，它由機架和模塊組成，多被用于大中型PLC系統(tǒng)。

（4）扛干擾能力設(shè)計選擇。抗干擾能力強弱對PLC控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要作用，雖然PLC抗干擾能力較強，但煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，電磁干擾較強，若安裝不當(dāng)可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤從而造成設(shè)備的失控和誤動作。因此，在PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力選擇方面，一是選擇抗干擾能力強的設(shè)備，另一方面，加強設(shè)計、安裝和維護(hù)管理，有效地提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖2 PLC故障報警控制系統(tǒng)工作流程圖

2.2 故障報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計

通過在皮帶運輸機相應(yīng)的位置安裝傳感器，在皮帶運行期間，傳感器將監(jiān)測的數(shù)值實時向PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行輸送反饋，當(dāng)反饋的數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設(shè)定的安全值后，傳感器立即向控制系統(tǒng)反饋故障類型及發(fā)生的區(qū)域，并啟動控制系統(tǒng)。

以皮帶運輸機打滑故障為例，該故障監(jiān)測功能的實現(xiàn)過程為：皮帶打滑→速度傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生→數(shù)據(jù)存儲→皮帶帶速模塊數(shù)據(jù)對比→超出安全值判定→皮帶打滑聲光報警（如圖3所示）。

圖3 皮帶打滑故障數(shù)據(jù)監(jiān)測硬件布置示意圖

3 結(jié)語

（1）PLC控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于皮帶運輸機故障報警系統(tǒng)中，使皮帶運輸機控制系統(tǒng)的可靠性得到提高。按照應(yīng)用軟件中的故障呈現(xiàn)，操作人員能夠隨時糾正操作中的失誤，并且，快速地診斷出故障出現(xiàn)在哪里，提高了故障診斷及定位的準(zhǔn)確性，減少了故障診斷時間，減輕了人員勞動強度，提高了人員工作效率和皮帶運輸機運行效率。

（2）PLC系統(tǒng)具有使用靈活、通用性強、可靠性高、抗干擾能力強、接口簡單、編程簡單、維護(hù)方便、體積小、功耗小、性價比高等優(yōu)點，非常適用于煤礦井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，在減少人員投入、減少經(jīng)濟成本、提高工作效率、提高礦井自動化水平等方面具有一定的推廣價值。