煤礦井皮帶運輸狀態檢測與事故預警系統研究

王艷輝WANG Yan-hui；翟力欣ZHAI Li-xin；張冬ZHANG Dong

（①山西約翰芬雷設計工程有限公司，南京 210031；②金陵科技學院，南京 211169）

0 引言

皮帶傳送作為一種重要的物料運輸方式，具有軸間中心距離大、傳輸平穩、設備價格低、維護方便等特點。基于此，其在煤礦開采、冶金生產、水電、化工等行業得到廣泛應用。隨著社會經濟的發展，煤炭行業作為我國重要的能源產業，已經成為我國國民經濟的重要組成部分。同時，得益于科學技術的發展，我國的煤炭開采也更加專業化、機械化。近十年來，我國經濟的快速增長，極大地刺激了煤炭工業的發展，使煤礦井下運輸系統在質量和數量上都得到了改善。目前，皮帶運輸系統是煤礦企業的常用設備，也是提高煤炭生產效率的重要設備，PLC 技術在皮帶運輸系統中的應用，進一步提高了皮帶運輸系統的經濟性、安全性和穩定性，加快了煤炭運輸速度，提高了煤炭開采效率，為企業創造了更好的利潤，也滿足了社會生產和人民生活對煤炭的需求。皮帶運輸系統作為煤礦企業生產過程中最關鍵的運輸工具，在煤礦和井下露天礦的生產過程中被廣泛應用。

1 控制系統的方案設計

煤礦井皮帶運輸控制系統如圖1 所示。

圖1 控制系統組成

本設計的煤礦井皮帶運輸控制系統用于對皮帶運輸機進行控制與監控，能夠實現遠程啟停功能，同時還能對電機的運行狀態進行監控，包括電機溫度、過載、過流、缺相等參數，控制與監控能夠對事故進行及時預警，保護設備。主要設備包括傳送帶電機、溫度傳感器、電機綜合保護器、控制器等。皮帶運輸系統包括四臺傳送帶，傳送帶互相銜接，可以實現煤炭的長距離運輸，傳送帶電機用于為傳送帶提供動力，使傳送帶能夠帶動煤炭移動。溫度傳感器安裝在傳送帶電機上，用于檢測電機的運行溫度，當溫度過高時可以發出報警信號，防止電機過熱損壞。電機綜合保護器用于檢測電機是否存在過載、缺相、過流等故障，當發生故障時，故障信號引入控制器，控制器發出故障報警信號，并控制電機停止。

2 控制系統的硬件選型

2.1 PLC 選型

PLC 系統的輸入輸出點數根據系統實現的功能進行選擇，同時還要求預留一定的余量，一般情況下為總點數的百分之二十左右。本次系統的PLC 型號選擇為西門子S7-200 系列，CPU 選擇CPU226，具有24 個數字量輸入點和16 個數字量輸出點，模擬量模塊選擇EM231，具有4 路模擬量輸入點。本次設計的系統需要23 個數字量輸入點和13 個數字量輸出點，3 個模擬量輸入點，選擇的型號滿足系統要求，且具備一定余量，便于后期功能擴展。

2.2 硬件選型設計

根據設計功能和接線圖，統計所需的硬件，并對其進行選型設計，主要包括按鈕、溫度傳感器、指示燈、接觸器、熔斷器、電機綜合保護器等，如表1 所示。

表1 硬件選型

3 控制系統的軟件設計

3.1 控制系統流程

編寫程序前，首先根據控制方案繪制控制流程圖，如圖2 所示。

圖2 控制流程圖

具體控制功能如下：

按下啟動按鈕，系統啟動，啟動指示燈亮；

按下停止按鈕，系統停止，啟動指示燈滅；

系統故障時，故障指示燈亮，系統自動停止；

按下手動按鈕，進入手動模式，手動指示燈亮，手動控制各個傳送帶啟停；

按下自動按鈕，進入自動模式，自動指示燈亮。

自動模式時，按下自動開關，傳送帶系統啟動，傳送帶啟動時應順序逐級啟動，停止時逆序逐級停止，防止傳送帶上的煤炭堆積導致單臺傳送帶負載過大，從而發生故障。按下自動開關，首先傳送帶1 啟動，延時10S 后傳送帶2 啟動，延時10S 后傳送帶3 啟動，延時10S 后傳送帶4啟動，抬起自動開關，傳送帶4 停止，延時10S 后傳送帶3停止，延時10S 后傳送帶2 停止，延時10S 后傳送帶1 停止。

當任意傳送帶發生過載和缺相故障時，所有傳送帶停止，故障指示燈亮。當任意傳送帶發生過流故障時，過流報警燈亮，對傳送帶的報警指示燈亮，提醒人員現場檢修，如確實發生故障時，手動停止傳送帶并檢修。當任意傳送帶電機溫度大于70℃時，對應傳送帶報警指示燈亮，上位機電機溫度報警燈亮。當電機溫度大于80℃時，對應傳送帶故障指示燈亮，上位機電機過熱故障燈亮，所有傳送帶停止。

PLC 程序編寫分為系統啟停程序、數據處理程序、報警程序、手動控制程序、自動控制程序等部分。

3.2 MCGS 程序編寫

繪制組態畫面，選擇文字功能用于繪制標題，選擇按鈕功能用于繪制操作按鈕，選擇圓角矩形用于繪制操作底板等，選擇圖庫功能用于插入傳送帶設備，選擇圖庫中的指示燈功能用于插入指示燈。繪制完成后的界面如圖3 所示。

圖3 最終畫面

隨后開始將變量與各個按鈕、圖形進行關聯。如啟動按鈕與啟動變量關聯，在命令語言連接的按下時中寫入“啟動=1”，即當按下啟動按鈕時，啟動變量變為1 狀態。如圖4 所示。

圖4 命令語言

4 系統調試

在進行系統調試時，首先將PLC 程序下載進PLC，編程電纜選擇PPI 編程電纜，下載完成后根據電氣原理圖進行接線，并通過電腦監控PLC 程序的運行，找出運行中出現的問題并進行糾正，最終實現控制要求的功能。程序下載完成后，開始進行仿真調試，首先進行啟停程序的仿真，按下啟動按鈕，系統啟動，啟動指示燈亮，如圖5 所示。

圖5 啟動程序仿真

然后進入手動模式，按下手動按鈕時，手動指示燈亮。（圖6）

圖6 進入手動模式

手動模式時，按下傳送帶3 和傳送帶4 的手動啟動按鈕，傳送帶3 和傳送帶4 手動啟動，按下停止按鈕時，傳送帶3 和傳送帶4 手動停止。（圖7）

圖7 手動控制程序

手動模式時，傳送帶3 啟動后，模擬缺相故障時，缺相故障指示燈亮，傳送帶3 自動停止，傳送帶4 不受影響。（圖8）

圖8 手動模式故障演示

手動模式時，傳送帶3 啟動后，模擬過流報警和溫度報警時，按下過流按鈕，過流報警指示燈亮，溫度檢測為77 攝氏度，超過報警溫度70 攝氏度，溫度報警指示燈亮。由于故障不屬于必須停機的故障，根據控制方案要求，發出報警信號，傳送帶不停止。仿真圖如圖9 所示。

圖9 手動模式報警演示

然后自動模式時，自動指示燈亮，按下自動開關按鈕，傳送帶從1-4 依次啟動。（圖10）

圖10 自動模式啟動

自動模式需要傳送帶停止時，關閉自動開關，此時傳送帶依次停止。

圖11 仿真過程顯示圖

自動模式且傳送帶啟動后，當檢測到過載、缺相或高溫故障時，傳送帶自動停止。

5 總結

本文主要是對煤礦井皮帶運輸控制系統進行了設計，煤礦井皮帶運輸控制系統采用PLC 作為控制器，采用MCGS 作為上位機監控系統，具有智能化程度高，控制精確，穩定性好，便于檢修，作業效率高等特點，極大地提高了傳統控制系統的自動化水平，具有很好的應用價值和經濟價值。