基于PLC 的井下煤礦皮帶運輸機監控系統設計

姜明偉

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

引言

在井下煤礦開采過程中，對開采的煤炭進行運輸非常重要[1]。由于井下環境較差、巷道長又曲折，所以若不能順利地進行煤炭運輸，則會影響整個開采過程。皮帶運輸機系統憑借其結構簡單、安全可靠、適用范圍廣、輸送能力大等優勢成為煤礦開采的核心運輸工具。由于井下工作條件差、采光不好、安全性差，所以工作人員在井下很難對皮帶運輸機的運行進行實時監控[2]。因此，對煤礦開采進行自動化監測控制迫在眉睫。

本文基于S7-300 型PLC，對井下煤礦運輸設備的監控系統進行了設計，完成了由觸摸屏和PLC 組成的自動化監測操控系統，實現了對井下煤礦運輸設備的安全、可靠、高效監控。

1 井下煤礦運輸設備監控系統的功能需求

1.1 皮帶運輸系統的控制要求

因為運輸系統在煤礦開采中尤為重要，故監控系統必須滿足以下要求：第一，需要對井下煤礦開采進行集中監測控制，對運輸工具進行實時監測。第二，當需要開采時，首先集控臺先發出預備通知信號，并對現場進行檢測，看其是否滿足啟動要求，預備通知信號持續時間為30 s，如果符合要求，則設備開始啟動[3]。第三，控制方式應該分為三種，分別是就地、自動化集中控制、手動進行集中控制，并且控制方式必須能夠進行轉換。第四，當設備損壞或發生事故時，要能夠通過聲光提示及時報警。

1.2 監控系統的功能及主要設備選型

井下煤礦運輸設備的監控系統包括PLC 操控系統、人機交互界面等部分。為了預防皮帶跑偏問題，將KG1007A 型皮帶防跑偏開關安裝在易發生皮帶跑偏的地方。安裝一個KJ5007A 型速度傳感器對設備的運行速度進行監測，可以進一步預防超速、皮帶斷裂等故障的發生。為了防止驅動滾筒打滑，安裝一個打滑保護裝置，可以自動監視驅動滾筒，當發生故障時及時調整或者停止[4]。為了防止皮帶因打滑摩擦引起著火，本文采用了KGN1-1 型煙霧傳感器。安裝一個急停閉鎖開關，型號為KG9001A-C，當發生緊急事故時，可以通過急停開關緊急停止設備[5]。選擇操作臺及觸摸屏作為人機交互界面。

2 監控系統硬件組態

監控系統采用三級控制系統對運輸設備進行自動化監測和控制[6]。三級控制系統包括進行現場數據采集并上傳的遠程I/O、進行邏輯處理及控制任務的PLC 和工業計算機。下頁表1 為I/O 地址分配表，可以根據表1 獲得控制系統I/O 點數。

表1 I/O 地址分配

本系統選用SIEMENS 公司S7-300 的PLC，配置清單見下頁表2。

表2 PLC 配置清單

3 監控系統軟件及防干擾設計

3.1 監控系統軟件設計

本系統的控制臺上根據控制方式設置了相應的選擇開關，并且需注意的一點是，設備運行過程中不可改變控制方式。設備運行時，可以通過觸摸屏上的顯示燈查看當前選擇的控制方式。采用STEP 7 MicroWIN 進行編程，同時結合下頁表1 中I/O 地址分配信息選擇合適的控制方式。以就地控制方式為例，本系統的控制臺上有CST 啟動、停止、慢動、急停四個手動按鈕。工作人員可以根據以上四個按鈕對設備進行啟停操作。需特別注意的是，在就地控制方式下，CST 慢動按鈕不可以使用。按下CST 啟動按鈕之后，會有30 s 的預警聲響，以檢測現場是否滿足啟動要求[7]。只有在無故障啟動的情況下，預警才會成功。

為了保障設備的正常運行，需要進行故障監測。故障信號分為兩類，分別是數字信號、模擬量信號。數字信號有兩種表示，分別是“1”和“0”?！?”是報警信號，表示設備發生故障；“0”表示無故障發生，設備正常工作。當收到報警信號時，可以通過CST 急停按鈕讓設備緊急停止運行，或者發出聲光進行報警。模擬量信號即是電壓信號、電流信號，可以在模擬輸入模塊轉換為相應的數字形式。觸摸屏由PROTOOL 軟件設計，畫面選擇基于WINDOWS 系統的TP270“6”。

3.2 監控系統的防干擾設計

由于工業現場往往存在很多干擾源，影響監控系統中數字信號的時序，使程序無法運行。故必須通過相應的抗干擾措施，防止干擾源對系統產生影響，進而保證設備安全、可靠、高效地運行，使得軟件性能更加合理完善?？垢蓴_措施如下：第一，為有效降低電網中的干擾信號，需結合實際情況，將隔離變壓器安裝在電源的入口，進而降低噪聲干擾[8]。第二，為了降低噪聲并防止干擾，采用綜合接地方式，進行接地防干擾。第三，通過使用雙絞屏蔽線或電纜對現場存在的干擾源進行屏蔽，防止干擾。第四，配線安排抗干擾。

4 監控系統的功能實現

由現場層（遠程I/O）完成對現場數據的采集和上傳。控制層（PLC）進行數據接收，并進行相應的數據處理和程序控制，將信息上傳到控制臺。管理層（工業計算機）通過PROTOOL 軟件設計的觸摸屏對現場進行監控。操作員可以通過觸摸屏和操控臺得知現場設備的運行情況，并進行相應的操作?，F場的過程參數（壓力、電流等）經過遠程I/O 采集上傳，經電纜傳送至PLC，經模數轉換后變為數字信號。然后通過操控臺傳送給觸摸屏，并在觸摸屏上顯示。在本系統中，觸摸屏共有七個界面，其中畫面1 為首頁；通過指示燈及數字表明設備的運行情況的啟動控制顯示畫面（界面2）；界面3 是故障信號提醒界面，發生故障時，可以通過信號燈進行相應的故障顯示；界面4 為各定子的溫度顯示界面；界面6 及界面7 是故障保護屏蔽選擇界面，若想將故障保護屏蔽掉，則可以按“XX 屏蔽”，若想取消屏蔽保護，則按“XX 屏蔽取消”就可以了。為了加強系統的安全性，系統還為不同的用戶設置了相應的權限。具體如下頁圖1—圖3 所示。

圖1 觸摸屏（界面2、界面3）

圖2 觸摸屏（界面4、界面5）

圖3 觸摸屏（界面6、界面7）

5 結論

由于井下工作條件差、采光不好、安全性差，所以工作人員在井下很難對皮帶運輸機的運行進行實時監控。為保證其安全、高效運行，本文以PLC 為核心，通過對井下煤礦運輸設備監控系統的功能和需求進行分析，對井下煤礦皮帶運輸機監控系統進行了硬件組態和軟件設計，構造了由操作臺及PLC 組成的單條皮帶與單臺給煤機的自動監控系統。通過實踐證明，該監控系統是行之有效的。綜合運用上述監控系統可以使運輸設備安全、可靠、高效地運行，降低系統調試和維護的工作強度。