PLC控制器在刮板輸送機監測系統中的應用分析

白 榕，劉文偉

(神木職業技術學院，陜西 神木 719300)

采煤機、刮板輸送機、液壓支架是煤礦工作面中非常重要的采煤裝備，其中刮板輸送機的任務主要是對采煤機開采得到的煤礦資源進行裝載和運輸，此外還需要為采煤機的運動提供軌道[1]。所以刮板輸送機的可靠穩定運行至關重要，一旦運行過程中出現故障問題，會導致所有的采煤裝備無法正常工作，進而制約煤礦開采效率的提升，影響煤礦企業的經濟效益[2]。然而煤礦工作面的環境非常惡劣和復雜，刮板輸送機運行過程中不可避免地容易出現各類故障問題，從而影響設備運行穩定性和可靠性[3]。通過建立刮板輸送機的監測系統，利用傳感器對設備的運行狀態進行實時監測，可以及時發現設備運行中存在的故障問題和安全隱患，進而采取措施規避這些問題[4]。本文基于PLC控制器設計了刮板輸送機的監測系統，將系統部署到煤礦工程實踐中發現效果良好，對于提升刮板輸送機的運行穩定性具有重要的實踐意義。

1 刮板輸送機及常見故障分析

1.1 刮板輸送機概述

刮板輸送機是煤礦中重要的運輸裝備，主要由機頭部、機尾部及對應的傳動裝置，緊鏈裝置，刮板鏈組，溜槽及其他附件等部分構成。刮板固定在鏈條上作為運輸煤礦物料的牽引機構，設備啟動時機頭和機尾部位的電機開始工作，驅動鏈輪做旋轉運動，鏈輪與刮板鏈之間嚙合實現動力傳輸[5]。本研究以SGZ800/750型刮板輸送機為對象進行研究，該型號設備由2臺電機同時驅動，每臺電機的功率為375 W。

1.2 刮板輸送機常見故障

在總結實踐情況的基礎上，統計的刮板輸送機常見故障問題，如圖1所示。由圖1可知，根據故障發生位置不同可以將其劃分為5大類型，分別為鏈輪組件故障[6]、機頭機尾故障、電機故障、液力耦合器故障和減速器故障，以上各種類型可以進一步分為不同的故障種類，如圖1所示。

圖1 刮板輸送機常見故障問題Fig.1 Common faults of scraper conveyor

2 整體方案設計

2.1 整體方案

設計的刮板輸送機監測系統以PLC控制器為核心，還包括傳感器、軟啟動器、傳感器和上位機等部分，刮板輸送機監測系統整體方案框圖如圖2所示。其中，傳感器的作用是對刮板輸送機運行中關鍵位置的狀態數據信息進行實時采集，獲得標準的模擬量電壓或者電流信號，經過A/D轉換器處理后輸入到PLC控制器中。PLC對傳感器檢測的數據信息進行分析處理，根據內置程序判斷設備是否存在安全隱患或故障問題，同時將結果上傳至上位機中進行存儲并展示，控制器還可對設備的啟動與停止過程進行控制。軟啟動器具有調頻調壓功能，可根據需要調整輸入電機中的電壓頻率，實現設備的軟啟動，降低重載啟動過程對煤礦電網造成的沖擊。系統中設置了安全柵，作用是將非本安型數據和本安型數據進行隔離，保證監測系統運行過程的穩定性。上位機中設置有觸摸屏，不僅可以展示刮板輸送機的運行狀態信息，一旦設備出現故障問題，會在屏幕中以彈窗形式進行警告，同時可在屏幕中輸入參數或指令對監測系統進行設置或對設備進行遠程控制。考慮到礦井環境復雜，為降低數據信號傳輸中的丟包率，各硬件之間通過信號線直接連接[7]。

圖2 刮板輸送機監測系統整體方案框圖Fig.2 Overall scheme of scraper conveyor monitoring system

2.2 設備啟動方式選擇

煤礦工作面的環境非常復雜，很多情況下需要對設備進行停機處理，確保安全后再對設備進行啟動。所以刮板輸送機經常需要在重載工況下啟動，如果直接采用硬啟動方式，不僅會對設備本身造成很大沖擊，且啟動階段會產生較大的電流，對礦井供電系統造成沖擊[8]。為了避免以上問題，系統在液力耦合器的基礎上再配合使用調頻調壓軟啟動器，實現刮板輸送機的軟啟動。選用的軟啟動器具體型號為QJRP-400/1140，屬于本質安全型裝備，能滿足礦井復雜工況環境。設備工作時的額定電流和電壓分別為400 A和1 140 V，正常啟動時間可根據需要在10～35 s內自行設定。由于SGZ800/750型刮板輸送機在機頭和機尾部位各有一臺電機，所以需要配備2臺軟啟動器。軟啟動器正常工作時可以將50 Hz的交流電源轉換成不同頻率的交流電源供電機使用，頻率大小會直接影響電機轉速，進而實現電機轉速的有效控制。

2.3 傳感器類型確定

根據刮板輸送機工作時常見的故障類型選用不同的傳感器對關鍵部位的狀態信息參數進行實時監測。根據圖1所示的實際情況，選用的傳感器類型可分為5大類，以下分別對其進行介紹。

(1)刮板鏈組故障傳感器。刮板鏈是刮板輸送機中比較重要的承力結構件，工作時需要承受較大載荷，容易出現故障問題。根據工作面情況，發現刮板鏈工作時容易出現的故障類型主要包括斷鏈、飄鏈、掉鏈或跳牙、底鏈出槽等。針對以上常見故障類型，很難用現有的專業傳感器進行檢測，本系統基于自制的監測裝置進行監測，刮板鏈組故障檢測傳感器安裝如圖3所示。

圖3 故障檢測傳感器安裝示意Fig.3 Installation diagram of fault detection sensor

當出現斷鏈故障問題時，刮板鏈無法正常工作，無法形成有效回路；當出現飄鏈故障問題時，刮板兩側無法對接觸監測點同時接觸，無法形成回路；掉鏈或跳牙故障問題指的是某一條刮板鏈與鏈輪脫離接觸，此時鏈條與刮板之間由于出現了錯位，會導致刮板處于橫向傾斜狀態，刮板兩側無法同時對接觸監測點進行接觸，無法形成回路；當出現底鏈出槽故障問題時，刮板鏈的運行速度會變慢，嚴重時甚至停止運動，導致相鄰2個刮板通過相同監測點時的時間間隔出現變化，一般為延長，如果停止運行時會出現長時間不通過監測點的情況。

(2)溫度傳感器。對于刮板輸送機運行時液力耦合器和減速器油溫過高、電動機溫度過高等問題，可以利用溫度傳感器對關鍵部位的溫度進行檢測。

(3)液位傳感器。減速器和液力耦合器工作時都會使用潤滑油，惡劣的工況環境使得容易出現漏油故障問題。通過液位傳感器可對以上2個裝備中的油位進行實時檢測，當發現油位降低時會向外發出警報，確保設備的穩定運行。

(4)位移傳感器。在機頭和機尾橫向方向兩側分別安裝位移傳感器，當機頭或機尾部位出現翹翻故障問題時，位移傳感器可以及時發現該部位出現了較大的位移，離開了地面。

(5)轉速傳感器。利用轉速傳感器可以對電動機的輸出轉速進行實時監測，一方面可以判斷電機是否啟動，另外可以作為監測系統的反饋，實現電機輸出轉速的閉環控制，提升監測系統的運行效果。

3 PLC控制器的組建

3.1 PLC概述

PLC是可編程控制器的簡稱，在工業領域具有非常廣泛的應用，可以通過輸入或輸出數字量或模擬量信號對工業設備進行控制。其特點主要表現在體積小、使用維護便捷、運行穩定可靠性較高、抗外界干擾能力強、編程簡單、方便使用等。根據PLC的結構可以分為模塊式和箱體式2種類型，不管是何種類型，主要由內存、CPU、I/O接口、電源等部分構成。結合實際情況監測系統中選用的是1785型PLC控制器，該控制器屬于模塊化設計，1785型PLC控制器的主要結構如圖4所示。

圖4 PLC控制器的主要結構Fig.4 Main structure of PLC controller

3.2 控制器各模塊的選擇

所述型號PLC控制器采用模塊化思想進行設計，通過不同模塊組裝而成，以下對主要模塊進行介紹分析：

(1)電源模塊。監測系統中選擇的電源模塊不僅要給PLC控制器中的CPU、內存、I/O接口等部分供電，還需要給系統中使用的各類傳感器進行供電，選用的電源模塊具體型號為1771-PS7，可以根據實際情況輸出2種類型的直流電壓，分別為5 V和24 V，以供不同硬件設施使用；

(2)CPU模塊。選用的CPU型號為1785-L11B增強型，該型號元件的用戶內存大小為8 K，輸入和輸出I/O接口數量達到了512個，可以與多種類型的硬件模塊進行連接實現功能拓展；

(3)I/O接口模塊。數字量輸入模塊、模擬量輸入模塊和數字量輸出模塊的型號分別為1771-IQ、1771-IL和1771-OB，根據監測系統的實際需要，上述模塊使用的數量分別為1個、4個和4個；

(4)機架。作用是對其他的硬件設施進行組裝，使之形成一個整體，根據各個模塊數量，選用的機架型號為1771-A3B1型，共包含12個槽。

3.3 輸入輸出模塊配置

PLC控制器的輸入信號分為數字量和模擬量2大類型，需要通過不同的模塊對信號進行處理，且不同模塊之間不能混用[9]。根據刮板輸送機監測系統的實際需要，對數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊的配置情況如下：1號—4號插槽安裝1771-IL模擬量輸入模塊，5號插槽安裝1771-IQ數字量輸入模塊，6～9號插槽安裝1771-OB數字量輸出模塊。不同輸入或輸出模塊分配的功能存在差異，所有模塊分工合作，實現監測系統信號的輸入和輸出。其中1號插槽輸入模塊的基本配置情況如圖5所示。由圖5可知，1號插槽的作用主要是對刮板狀態、機頭和機尾電機的溫度及其啟動情況進行監測。

圖5 1號插槽輸入模塊的基本配置情況Fig.5 Basic configuration of slot 1 input module

4 軟件系統設計

4.1 PLC控制器編程概述

對于刮板輸送機監測系統而言，各項硬件設施是實現其功能的重要基礎，而軟件程序是驅動各項硬件設施工作的根本。軟件程序的優劣會對系統的運行穩定性同樣產生重要的影響。監測系統以PLC控制器為核心。因此，需要重點對PLC控制器進行編程，考慮到系統運行時涉及基本計算、邏輯控制以及順序控制等內容，所以基于梯形圖語言對PLC控制器進行編程。編程軟件采用的是所述PLC控制器配套的編程軟件包RSLogix5。該軟件包屬于自由格式的梯形圖編輯器，非常適合本系統的實際需要，方便編程人員快速對程序進行編寫。

4.2 各部分監測程序設計

監測系統涉及多方面的監測內容，為了方便程序編寫以及后續軟件維護，采用模塊化思想對軟件程序進行設計，即針對不同監測內容分別設計監測子程序，然后利用1個主程序對所有子程序進行調取[10]。刮板輸送機監測系統中使用的主要子程序情況如圖6所示。由圖6可知，主要子程序包括電機啟動子程序，模擬量讀取子程序，刮板鏈組監測子程序，機頭/機尾翹翻、液位、溫度監測子程序，電機啟動狀態監測子程序等。

圖6 監測系統中主要子程序Fig.6 Main subprograms in monitoring system

以電動機啟動部分的子程序為例進行講解，設計的電動機啟動部分子程序如圖7所示。圖7中，I:005/0和I:005/1分別為啟動按鈕和急停按鈕，當按下啟動按鈕后，I:005/0接通，電動機開始運行，當出現意外情況需要對刮板輸送機進行緊急停機時，按下急停按鈕，I:005/1接通，設備停止運行。另外幾個開關分別是電動機其他部位的故障停機控制位，當任何一個部位出現故障問題，對應的開關會斷開，導致刮板輸送機電機停機無法工作，以達到保護設備的目的。O:011/0為電動機的啟動位，當前述各項開關都正常接通時，啟動位處于閉合狀態。此開關可控制軟啟動器的接通狀態，軟啟動器可輸出調頻調壓電源供電動機使用。

圖7 電動機啟動部分子程序Fig.7 Partial subprograms for motor startup

4.3 程序的仿真與調試

完成各個程序的編寫工作后，為了確保程序能夠正常穩定運行，需要對其進行仿真與調試，使用的軟件為RSlinx5和RSEmulate5。利用RSEmulate5可以對程序中存在的故障進行調試并排除，確保程序能夠穩定運行。將調試無誤后的程序再導入RSlinx5程序中進行仿真，對程序進行試運行。以上2個軟件需要建立通信并配合使用。仿真與調試結果表明，設計的軟件程序能夠穩定可靠運行，當設備各項狀態參數正常時，系統不會發出警報，但是當設備狀態超過了系統設定的安全閾值范圍時，系統會發出警報。比如當電機溫度超過80 ℃時，系統會發出警報，并下達控制指令對電機進行停機處理，以保障設備和工作人員的安全。

5 應用效果分析

根據以上設計方案，將基于PLC控制器的刮板輸送機監測系統部署到煤礦工程實踐中，經現場調試能正常運行以后正式投入使用，目前該系統在工程中的應用時間約為3個月。實踐應用表明，監測系統具有良好的效果，能對設備的運行狀態進行及時、準確地監測，保障設備的穩定可靠運行。監測系統的成功實踐應用產生了良好的效益，以下從經濟效益和安全效益2個方面進行闡述。

(1)經濟效益。由于煤礦工作面運行工況非常惡劣，導致刮板輸送機容易出現故障問題，使得礦井配備的設備維護保養人員數量較多。監測系統的投入使用，使得刮板輸送機的運行可靠性得到顯著提升，設備故障率降低了20%以上，設備維護保養人員削減1～2名。每年可以為煤礦企業節省人力成本和設備維護保養成本大約為50萬元。另外，刮板輸送機運行穩定性提升，為煤礦開采效率的提升創造了良好的條件，創造的經濟效益是不可估量的。

(2)安全效益。刮板輸送機一旦出現故障問題，需要安排人員對其進行檢修，惡劣的工況環境會將相關人員置于危險之中。監測系統的投入應用可以及時發現設備運行中存在的故障問題，可對故障問題進行精確定位，縮短故障排除的時間，降低檢修人員的風險，為煤礦企業創造了良好的安全效益。

6 結論

以SGZ800/750型刮板輸送機為研究對象，基于PLC控制器設計了監測系統，并將其應用到工程實踐中，發現效果良好。

(1)煤礦工作面惡劣的工況環境導致刮板輸送機容易出現故障問題，可以分為鏈輪組件故障、機頭機尾故障、電機故障、液力耦合器故障和減速器故障5大類型，均可以利用自制的或已有的傳感器對故障進行實時監測。

(2)監測系統以PLC控制器為核心，選用的是1785型PLC控制器。基于模塊化思想設計，主要由電源模塊、CPU模塊、數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊等部分構成，優異的性能完全能夠滿足監測系統的實際工作要求。

(3)軟件程序同樣基于模塊化思想設計，由1個主程序和多個子程序構成，每個子程序負責對應的內容，從而搭建監測系統的整體功能。經調試與仿真后發現軟件程序可以正常運行。

(4)將監測系統應用到煤礦工程實踐中，發現效果良好，可以對刮板輸送機的運行狀態進行準確、實時的監測，顯著提升了設備的運行穩定性和可靠性，為企業創造了良好的經濟效益和安全效益。