基于PLC的礦用帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

寇振捷

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

引言

礦用帶式輸送機(jī)作為煤礦開采運(yùn)輸中的關(guān)鍵設(shè)備，經(jīng)常有大量煤灰聚集、設(shè)備超載作業(yè)、電機(jī)燒壞、設(shè)備作業(yè)溫度過(guò)高等問題，加上當(dāng)前設(shè)備控制系統(tǒng)功能較為單一，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)較弱，已無(wú)法滿足當(dāng)前井下高強(qiáng)度煤礦輸送控制的作業(yè)需求。因此將更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到該設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)控制性能及作業(yè)效率的提升研究，已成為當(dāng)前設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)的重要方向[1-2]。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)分析

帶式輸送機(jī)作為井下煤礦開采中的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括皮帶、導(dǎo)向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機(jī)等組成，所開采的煤炭通過(guò)刮板輸送機(jī)將其輸送至皮帶上，在電機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)作用下，帶動(dòng)皮帶向前移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)將煤礦運(yùn)輸至礦井外面[3]。

當(dāng)前，煤礦中的帶式輸送機(jī)主要采用滾筒式結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的繼電器或單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的作業(yè)操作和控制，在運(yùn)行過(guò)程中存在控制功能單一、性能穩(wěn)定性較差等問題[4]；同時(shí)，當(dāng)前控制系統(tǒng)只能基本實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、作業(yè)溫度等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和控制，無(wú)法通過(guò)遠(yuǎn)程方式對(duì)其進(jìn)行控制，控制邏輯及故障報(bào)警功能等也基本未設(shè)計(jì)。由于井下環(huán)境的惡劣加上井下信號(hào)的干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)脑O(shè)備信號(hào)受到較為嚴(yán)重的干擾，穩(wěn)定性較差[5]。因此，將當(dāng)前成熟的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)的控制中，成為當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制系統(tǒng)存在問題，開展了控制系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)包括了控制主站和8個(gè)分站，其中，主站包括了操作臺(tái)、上機(jī)位、顯示界面、PLC控制器、觸摸屏、執(zhí)行元件、分站控制臺(tái)等組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和邏輯判斷，而PLC控制器則選用了西門子的S7-300型，能有效保證整個(gè)井下作業(yè)的控制需求；系統(tǒng)分站則主要負(fù)責(zé)對(duì)皮帶、電機(jī)等進(jìn)行速度、溫度、電機(jī)發(fā)熱等信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸以及就地控制，屬于系統(tǒng)的終端部分，主站與分站之間主要通過(guò)RS485通訊接口進(jìn)行信號(hào)傳輸，通訊技術(shù)則充分利用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的通訊搭建[6]。在系統(tǒng)的底端，配備了速度傳感器、溫度傳感器、托輥磨損檢測(cè)儀、電機(jī)振動(dòng)傳感器、功率檢測(cè)儀等儀器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制器的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，選用了西門子的S7-300型PLC控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制。該控制器主要包括了CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、I/O模塊等組成，系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)主要通過(guò)RS485進(jìn)行通訊連接。通過(guò)該控制器能將檢測(cè)單元所采集的帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度信號(hào)、電機(jī)啟停信號(hào)、電磁閥開關(guān)信號(hào)、皮帶輸送信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，并將采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的專門控制算法，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析、判斷及處理，經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)傳輸至上機(jī)位顯示界面進(jìn)行控制信息的實(shí)時(shí)顯示及對(duì)帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制。另外，該控制器采用了DC24V和DC12V電源進(jìn)行內(nèi)部供電控制。S7-300型PLC控制器如下頁(yè)圖1所示。

圖1 S7-300型PLC控制器

3.2 輸出模塊設(shè)計(jì)

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一套專門的輸出模塊，以實(shí)現(xiàn)控制命令的信號(hào)輸出。此輸出模塊采用了QY10型輸出模塊，信號(hào)輸出點(diǎn)包括了閘電機(jī)的開停、電磁閥、故障報(bào)警等、井上/下集控、指示燈等端口，并預(yù)留了7個(gè)備用點(diǎn)。在該模塊中，利用了1KA-5KA中間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)灑水電磁閥的常開接點(diǎn)控制。同時(shí)，利用SB10啟動(dòng)按鈕和3 kA中間繼電器來(lái)解決模塊無(wú)法實(shí)時(shí)啟動(dòng)的問題，有效保證了模塊的運(yùn)行可靠性。另外，帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)則是通過(guò)3 kA常開接點(diǎn)的閉合，通過(guò)線纜方式將D3和D4點(diǎn)接入到軟啟動(dòng)器中，以此保證帶式輸送機(jī)能正常啟動(dòng)。為提高模塊的可靠性，也設(shè)計(jì)了SB4按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)操作。控制系統(tǒng)輸出模塊電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)輸出模塊電路圖

3.3 控制界面設(shè)計(jì)

根據(jù)帶式輸送機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該界面包括了狀態(tài)顯示功能、不同區(qū)域帶式輸送機(jī)位置、啟停控制按鈕等功能，能通過(guò)控制主界面對(duì)帶式輸送機(jī)的啟停、作業(yè)溫度、傳動(dòng)速度、運(yùn)行情況及出現(xiàn)的故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，通過(guò)該界面能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備停機(jī)、電磁閥啟停、電機(jī)啟停轉(zhuǎn)動(dòng)等方面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，由此全面實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控和控制，控制系統(tǒng)控制界面如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)控制界面圖

3.4 系統(tǒng)順序啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)的啟停需要安裝相應(yīng)的控制邏輯順序進(jìn)行控制，故需利用西門子PLC中的step7軟件對(duì)系統(tǒng)順序啟停進(jìn)行梯形圖邏輯程序設(shè)計(jì)。在該程序中，包括了內(nèi)部觸發(fā)繼電器M1、時(shí)間繼電器T1、定時(shí)器T4、啟停按鈕X45等組成，通過(guò)內(nèi)部的Y72輸出信號(hào)，能快速接通3KA繼電器電路，繼電器得電后，常開節(jié)點(diǎn)閉合，軟啟動(dòng)器在接收啟動(dòng)信號(hào)后，能向控制系統(tǒng)的主電路、電機(jī)等發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，使其處于啟動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)順序啟動(dòng)部分梯形程序圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)順序啟動(dòng)部分梯形程序圖

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在完成控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，主要將該系統(tǒng)集成在某煤礦中DTIIA型帶式輸送機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試周期為6個(gè)月。在測(cè)試過(guò)程中，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，與同類型的原有設(shè)備相比，作業(yè)穩(wěn)定性更高，設(shè)備運(yùn)行時(shí)的井下瓦斯?jié)舛取囟取⑺俣取⒃O(shè)備啟停狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行情況等也能通過(guò)控制主界面和分界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)設(shè)備作業(yè)溫度或其他參數(shù)發(fā)生異常變化時(shí)，該系統(tǒng)也能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，通過(guò)聲光報(bào)警形式進(jìn)行顯示，同時(shí)根據(jù)故障的嚴(yán)重程度自主判斷后來(lái)自動(dòng)切斷主控電源，所產(chǎn)生的故障類型及故障發(fā)生位置也通過(guò)顯示界面進(jìn)行了顯示。整個(gè)控制過(guò)程，只需人員在監(jiān)控室對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作，人員無(wú)需進(jìn)入井下現(xiàn)場(chǎng)，人員根據(jù)故障位置進(jìn)行快速檢修，大大提高了故障排除效率，提高了設(shè)備的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制水平，整體運(yùn)行情況達(dá)到了預(yù)期效果。