基于 PLC 的井下帶式輸送機(jī)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張東永

金川集團(tuán)股份有限公司二礦區(qū) 甘肅金昌 737100

甘肅金昌某礦原井下礦石運(yùn)輸帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的“繼電器+接觸器”控制方式，各設(shè)備由輸送機(jī)崗位工人在井下操作室操作啟停，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、作業(yè)環(huán)境差，經(jīng)常出現(xiàn)輸送帶跑偏、撕裂和轉(zhuǎn)載漏斗堵塞等問(wèn)題，且無(wú)法通過(guò)原控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控，出現(xiàn)故障時(shí)不能及時(shí)解決，嚴(yán)重影響礦井高效安全生產(chǎn)。因此，對(duì)井下礦石運(yùn)輸帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造迫在眉睫。

1 井下運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

井下礦石運(yùn)輸系統(tǒng)工藝流程如圖 1 所示，系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。井下運(yùn)輸系統(tǒng)由 1、2、3、4 號(hào)帶式輸送機(jī)組成。破碎站初步破碎的礦石從 941 m 水平通過(guò) 1、2、3 號(hào)帶式輸送機(jī)接力轉(zhuǎn)運(yùn)至井下 4 號(hào)礦倉(cāng)，再通過(guò)底部給礦機(jī)和 4 號(hào)帶式輸送機(jī)輸送到提升機(jī)轉(zhuǎn)載站計(jì)量斗，最后通過(guò)提升機(jī)提升至地表礦倉(cāng)。4 號(hào)帶式輸送機(jī)于 2017 年進(jìn)行了電控系統(tǒng)PLC 技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載站計(jì)量斗和提升機(jī)的全自動(dòng)控制和運(yùn)行，而 1、2、3 號(hào)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)落后的“繼電器+接觸器”控制方式。

圖1 井下礦石運(yùn)輸系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of underground mineral conveyance system

表1 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of main equipments

2 存在問(wèn)題

(1)井下環(huán)境高溫、潮濕、粉塵多，接觸器、繼電器等元器件性能下降，各種線纜老化，突發(fā)故障頻繁，系統(tǒng)抗干擾能力不足。

(2)傳統(tǒng)的繼電器控制方式接線繁瑣，控制觸點(diǎn)多、易粘合，易產(chǎn)生寄生電路，排查故障費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

(3)部分開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器等元器件已經(jīng)淘汰，如 220 V LY4NJ 直流繼電器，廠家已不生產(chǎn)，若重新選型，受現(xiàn)場(chǎng)空間限制，無(wú)法規(guī)范安裝。

(4)控制系統(tǒng)保護(hù)功能不夠完善，原有輸送帶打滑、撕裂及溫度等保護(hù)功能已失去作用，沒(méi)有接入控制系統(tǒng)；沒(méi)有轉(zhuǎn)載漏斗堵塞保護(hù)和礦倉(cāng)料位檢測(cè)功能，容易造成輸送帶壓礦、埋礦倉(cāng)等故障。

(5)帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)配電柜未安裝電流互感器，導(dǎo)致在中控室內(nèi)無(wú)法顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流。

(6)整個(gè)控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平低，各輸送機(jī)及附屬設(shè)備均為現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)操作，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)集中控制，崗位操作人員數(shù)量多，運(yùn)行維護(hù)成本高。

3 改造方案

針對(duì)帶式運(yùn)輸系統(tǒng)存在的問(wèn)題，結(jié)合目前自控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，擬對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以完善礦倉(cāng)料位檢測(cè)及輸送帶撕裂、打滑等保護(hù)功能，更新各種保護(hù)開(kāi)關(guān)，將制動(dòng)器、減速器散熱器、液力耦合器和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的高壓開(kāi)關(guān)柜數(shù)字綜保納入 PLC 控制系統(tǒng)[1-3]，將 1 號(hào)帶式輸送機(jī)尾部 2 臺(tái)給礦機(jī)改造為變頻器驅(qū)動(dòng)控制，達(dá)到給礦量按需調(diào)節(jié)的目的。

礦石運(yùn)輸系統(tǒng)控制系統(tǒng)改造方案如圖 2 所示。系統(tǒng)采用 PLC+PC 控制架構(gòu)[4-7]，在 1、2、3 號(hào)輸送機(jī)頭部配電室設(shè)置 PLC 控制站，在地表設(shè)立集控室。各輸送機(jī) PLC 作為控制核心，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、DeviceNet、Profibus-DP 等通信口、I/O 和各遠(yuǎn)程子站對(duì)輸送系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備和檢測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的信息進(jìn)行分析、判斷，并依據(jù)控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的控制、保護(hù)和故障報(bào)警；PLC 可通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)工業(yè)組態(tài)軟件在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的遠(yuǎn)程操作、狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、關(guān)鍵參數(shù)趨勢(shì)在線顯示和數(shù)據(jù)收集歸檔等相關(guān)功能。集控室設(shè)置有 2 臺(tái) PC 上位機(jī)，互為熱備用。

圖2 礦石運(yùn)輸系統(tǒng)改造方案框圖Fig.2 Block diagram of control system of mineral conveyance system

系統(tǒng)改造完成后，具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、遠(yuǎn)程集中單動(dòng)和遠(yuǎn)程集中聯(lián)動(dòng) (一鍵啟停)3 種控制方式，實(shí)現(xiàn) 1、2、3 號(hào)帶式輸送機(jī)及 1、2 號(hào)給礦機(jī)在地表集控室的遠(yuǎn)程集控，并可在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和操作畫(huà)面，滿足系統(tǒng)控制、監(jiān)控、報(bào)警和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。同時(shí)，系統(tǒng)還為礦山“自動(dòng)化、信息化、智能化”建設(shè)預(yù)留了數(shù)據(jù)接口。

4 集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

集控系統(tǒng)采用了星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)與各輸送機(jī) PLC 之間通過(guò)光纖工業(yè)以太網(wǎng)連接，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)Fig.3 Network topology architecture of centralized control system

5 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)[8-9]通過(guò)分布在帶式輸送機(jī)和漏斗、礦倉(cāng)各處的檢測(cè)開(kāi)關(guān)和傳感器，將輸送機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)采集到 CPU 中。同時(shí) PLC 通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送的信息和指令，并對(duì)上述信息進(jìn)行綜合判斷，來(lái)控制輸送機(jī)或給礦機(jī)的啟停。

5.1 硬件設(shè)計(jì)

PLC 采用羅克韋爾 1756-L61 控制器，電源模塊為 1756-PA72，框架為 1756-A7。單臺(tái) PLC 控制系統(tǒng)主要模塊和數(shù)量如表 2 所列。

表2 PLC 主要模塊Tab.2 Main module of PLC

5.2 通信設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)傳輸層、控制層和設(shè)備層[10]對(duì)通信的不同要求，控制系統(tǒng)通信采用了 Ethernet、DeviceNet 和Profibus-DP 等通信模式。其中，上位機(jī)與 PLC 數(shù)據(jù)通信采用工業(yè)以太網(wǎng)；PLC 與減速器油泵電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)單元 E3-Plus 采用 DeviceNet 通信，與變頻器采用Profibus-DP 通信，與高壓開(kāi)關(guān)柜綜保采用 ModBus 通信。根據(jù)輸送機(jī)的長(zhǎng)度和電氣設(shè)備的安裝位置，共設(shè)了頭部輸送機(jī)操作箱、頭部風(fēng)機(jī)控制箱、信號(hào)箱、中部風(fēng)機(jī)控制箱、尾部風(fēng)機(jī)控制箱及變頻器控制箱 6 個(gè)I/O 遠(yuǎn)程子站，每個(gè)子站均裝有 FLEX I/O 模塊，它們通過(guò)冗余的 Ethernet 網(wǎng)絡(luò)與 PLC 進(jìn)行通信，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。圖 4 為 1 號(hào)帶式輸送機(jī) PLC 控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。2、3 號(hào)帶式輸送機(jī)作為 1 號(hào)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)接續(xù)輸送機(jī)，沒(méi)有給礦機(jī)變頻器，其 PLC 控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與 1 號(hào)輸送機(jī)略有不同，不再詳述。

圖4 1 號(hào)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.4 Communication network architecture of control system for No.1 belt conveyor

5.3 軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括 PLC 軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)兩部分。

5.3.1 PLC 軟件設(shè)計(jì)

(1)軟件控制邏輯設(shè)計(jì)原則 軟件控制邏輯嚴(yán)格按照“逆起順停”的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)逆生產(chǎn)工藝流程啟動(dòng)，即按照 3 號(hào)帶式輸送機(jī)、2 號(hào)帶式輸送機(jī)、1 號(hào)帶式輸送機(jī)、1 號(hào)給礦機(jī)的順序啟動(dòng)各設(shè)備；系統(tǒng)停止時(shí)順生產(chǎn)工藝流程停車(chē)，即按照 1 號(hào)給礦機(jī)、1 號(hào)帶式輸送機(jī)、2 號(hào)帶式輸送機(jī)、3 號(hào)帶式輸送機(jī)的順序依次停運(yùn)各設(shè)備。正常運(yùn)行時(shí)，如果某條輸送機(jī)發(fā)生故障引起停車(chē)，其前方 (來(lái)料方向)設(shè)備立即停車(chē)，后方設(shè)備保持運(yùn)行；同時(shí)在 3 條輸送機(jī)開(kāi)車(chē)和停車(chē)回路中設(shè)計(jì)了各輸送帶間的聯(lián)鎖保護(hù)，確保輸送機(jī)正常停運(yùn)時(shí)帶面無(wú)積礦。

(2)控制方式 系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、遠(yuǎn)程集中單動(dòng)和遠(yuǎn)程集中聯(lián)動(dòng) (一鍵啟停)3 種控制方式。現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)方式下，輸送機(jī)只能慢動(dòng)，PLC 的各項(xiàng)控制、保護(hù)和檢測(cè)功能均被禁止，由操作人員通過(guò)輸送機(jī)頭部控制箱啟停輸送機(jī)；在遠(yuǎn)程集中單動(dòng)方式下，按逆生產(chǎn)工藝流程啟動(dòng)輸送機(jī)，集控室操作人員通過(guò)上位機(jī)向輸送機(jī) PLC 發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，輸送機(jī) PLC 控制相應(yīng)輸送機(jī)的啟動(dòng)和停止，上位機(jī)操作畫(huà)面如圖 5 所示；在遠(yuǎn)程“一鍵啟停”方式下，操作人員通過(guò)上位機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令，各輸送機(jī) PLC 根據(jù)邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)輸送機(jī)的自動(dòng)保護(hù)、啟動(dòng)和停止，上位機(jī)礦石運(yùn)輸系統(tǒng)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)操作畫(huà)面如圖 6 所示。

圖5 上位機(jī) 1 號(hào)輸送機(jī)遠(yuǎn)程集中單動(dòng)操作畫(huà)面Fig.5 Remote centralized separate control interface of No.1 belt conveyor on master computer

圖6 上位機(jī)礦石運(yùn)輸系統(tǒng)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)操作畫(huà)面Fig.6 Remote combined control interface of mineral conveyance system on master computer

(3)控制程序 根據(jù)礦石運(yùn)輸系統(tǒng)帶式輸送機(jī)的工藝流程和控制要求，系統(tǒng)控制程序由主程序、診斷程序和多個(gè)子程序組成。編程軟件選用 RSLogix 5000，PLC 循環(huán)掃描主、子程序各輸入點(diǎn)的狀態(tài)和信號(hào)，執(zhí)行程序，處理與高壓柜數(shù)字綜保、變頻器等電參數(shù)模塊的通信，對(duì)電流、電壓、溫度、撕裂、堵塞等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)抱閘、冷卻風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備的啟停進(jìn)行控制，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)故障的診斷及處理。遠(yuǎn)程集控軟件流程如圖 7 所示。

圖7 帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程集控軟件流程Fig.7 Process flow of remote centralized control software for belt conveyor

5.3.2 上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)地表控制室集中遠(yuǎn)程控制，組態(tài)軟件選用 FactoryTalk View SE7.0。FactoryTalk View SE 可通過(guò)系統(tǒng)的工控組態(tài)界面，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及跑偏、打滑、撕裂等各類(lèi)保護(hù)和閉鎖狀態(tài)，及時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況及故障報(bào)警位置，并提供語(yǔ)音報(bào)警等功能。同時(shí)可將采集和處理的信息進(jìn)行打印和輸出，便于數(shù)據(jù)分析和事件追溯[10]。而且顯示畫(huà)面直觀，可靈活修改，提高了整個(gè)系統(tǒng)的適應(yīng)性，系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主畫(huà)面如圖 8 所示。

圖8 系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主畫(huà)面Fig.8 Main interface of monitoring and control system in master computer

5.4 改造措施

為了提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)可靠性和穩(wěn)定性，采取了如下技術(shù)改造措施[7]：

(1)由于礦山供電電網(wǎng)復(fù)雜，諧波分量較多，電源供電質(zhì)量差，系統(tǒng)控制電源采用了 UPS 供電。

(2)由于 2、3 號(hào)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電壓是 6 kV，6 kV 電源通過(guò) 1、2、3 號(hào)輸送機(jī)安裝巷道引自井下 4號(hào)中央變電站，電源輸送距離長(zhǎng)達(dá) 2 300 m，途經(jīng)區(qū)域?qū)刂葡到y(tǒng)傳輸信號(hào)電磁干擾大。因此 2、3 號(hào)控制電源采用了直流電源，開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)傳輸電纜均采用 R-DJYVP22 型鎧裝計(jì)算機(jī)電纜，提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力。同時(shí)，以太網(wǎng)均采用光纖通信技術(shù)，使信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定可靠。

(3)PLC 所有的 DI 信號(hào)用中間繼電器隔離，AI信號(hào)用專(zhuān)用信號(hào)隔離器隔離，以減少信號(hào)干擾。

(4)在 1、2、3 號(hào)輸送機(jī)配電室附近各自新建了PLC 系統(tǒng)輔助接地體，柜體除與低壓配電接地系統(tǒng)連接外，還通過(guò) 25 mm2多芯銅芯電纜與輔助接地體連接，保證了 PLC 控制系統(tǒng)接地電阻不大于 2 Ω，減少由于系統(tǒng)接地電阻大可能引起的干擾。

(5)PLC I/O 模塊預(yù)留了 20% 的備用通道，I/O遠(yuǎn)程子站采用冗余總線，提高了突發(fā)故障時(shí)系統(tǒng)硬件的應(yīng)急能力和可靠性。

(6)選用防護(hù)等級(jí)為 IP54 的 PLC 控制柜和信號(hào)匯聚箱，且控制柜內(nèi)配置冷卻風(fēng)扇，最大限度降低由于井下粉塵大、環(huán)境潮濕和溫度高可能引起的系統(tǒng)誤動(dòng)作。

6 改造后系統(tǒng)功能

6.1 控制功能

(1)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng) 操作人員將輸送機(jī)頭部控制箱上的控制方式選擇為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)，通過(guò)啟停按鈕啟動(dòng)輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的保養(yǎng)檢修。

(2)遠(yuǎn)程集中單動(dòng) 集控室操作人員通過(guò)上位機(jī)控制各輸送機(jī)逐一啟動(dòng)和停止。

(3)遠(yuǎn)程集中聯(lián)動(dòng) 上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均選擇遠(yuǎn)程集控模式，操作人員通過(guò)上位機(jī)發(fā)出啟停指令，PLC 根據(jù)邏輯控制程序?qū)斔蜋C(jī)及附屬設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和診斷，自動(dòng)啟停設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停”控制。

6.2 顯示功能

上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)工作模式、輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作電流和電壓、礦倉(cāng)料位、給礦機(jī)變頻器頻率等設(shè)備參數(shù)，并進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)可提供歷史報(bào)警記錄、電動(dòng)機(jī)溫度和電流等設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)歷史趨勢(shì)曲線及生產(chǎn)報(bào)表等。

6.3 預(yù)警功能

現(xiàn)場(chǎng)操作箱和上位機(jī)均設(shè)計(jì)了聯(lián)絡(luò)預(yù)警信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)和出現(xiàn)故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)聲光預(yù)警功能。

7 應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)井下礦石運(yùn)輸系統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，與改造前相比，崗位操作人員由 7 人/班減少到了3 人/班，系統(tǒng)故障率由 10 次/月下降到了 4 次/月，設(shè)備故障處理時(shí)間由 22 h/月下降到了 6 h/月，轉(zhuǎn)載漏斗堵塞由 4 次/季下降到了 1 次/半年，系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間由 12.0 h/d 提高到了 13.5 h/d，達(dá)到了通過(guò)技術(shù)改造降本增效的目的。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次技術(shù)改造，礦石運(yùn)輸帶式輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程一鍵啟停，對(duì)輸送機(jī)各種保護(hù) (如漏斗堵塞、礦倉(cāng)料位)均實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)與全自動(dòng)控制，并可對(duì)故障進(jìn)行診斷與報(bào)警，形成了帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程集中管控+定期巡檢、清掃的生產(chǎn)方式，大幅度降低了系統(tǒng)故障率和崗位人員的數(shù)量及勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)了系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。