PLC 在煤礦膠帶輸送機上的應用分析

張體蒙，陳 光，劉慶偉

（山東能源集團兗礦能源股份有限公司東灘煤礦，山東 濟寧 273500）

0 引言

在礦井煤炭運輸中，煤礦皮帶運輸機是最為重要的設備之一，通過應用該設備能快速的將開采的煤炭從礦井中運出，降低了人力資源投入，并節約了大量時間，保證了開采量。但由于長期使用，一些皮帶運送機會出現不同程度的問題，而通過引入PLC 控制系統，采用PLC 作為煤礦膠帶運送機的控制核心，能極大程度的提升系統的可靠性以及工作效率，減少設備出現故障的概率，降低工作人員的工作量，對于保證采煤效率和采煤安全有著重要的作用。

1 PLC 可編程邏輯控制器概述

PLC 控制系統是一種以微型處理器為基礎核心來實現自動控制的系統，由于其結合了現代計算機技術，自動控制集1/4 控技術和信息化技術，使得其具有體積小、操作便捷、維護簡單、可靠性高、功能性強等優點?，F如今該系統已經被大量使用于工業生產之中，采礦業自然也是重點應用領域。

PLC 系統軟件采用的是梯形圖編程，其具有模塊化特點，這使得系統具有較強的獨立功能性。當工作人員啟動設備后，首先要對設備情況進行檢測，當檢測確定設備處于正常狀態時，設備就會正常啟動，如果出現異常，設備就會轉入其他相應的功能之中。設備還設置有急停按鈕，只要按下急停按鈕就能讓設備完全停下，并且該系統還具有遠程操作功能，只需要在遠程工作站中設定相應的條件，就能對設備運行狀態進行監控，對設備進行控制[1]。

2 PLC 系統的主要功能

PLC 系統需要設置大量的功能，才能確保系統發揮實際效果。當將該系統應用到煤礦膠帶輸送機上時，能滿足皮帶運輸控制系統和皮帶運輸保護系統2 個方面的現場功能實現?？刂葡到y的重點是對操控系統進行整合，通過構建完整統一的控制系統來幫助工作人員更好地對設備進行管理控制，其工作方式一般被分為自動狀態和維修狀態。在建立控制系統后，工作人員可以在總控臺通過幾個開關輕易的實現設備的啟停、改變設備運行狀態等行為。而保護系統則能對煤礦膠帶輸送機實施六大保護，一旦出現了堆煤、煙霧、跑偏等動作時，皮帶就能迅速識別隨后自動停止，這能極大程度的保證人員和設備的安全，避免出現故障和意外，保證采煤安全和采煤效率。

通過該系統，相關管理人員能更好的對設備情況進行監控，一旦設備出現故障，維修人員能及時通過系統找到故障位置和故障原因，并快速維修。同時因系統會通過傳感器對設備運行狀態進行監控，相關管理人員能通過計算機來對設備的運行狀態、運行參數進行監控和了解，并對數據進行統計和分析，這對于發現設備異常、分析設備運行情況等具有良好的效果。如，經過長時間的數據采集，相關人員就能利用數據來對設備情況進行分析，例如根據多次設備數據顯示，每運行超過1000h，設備就會出現一次過熱故障時，相關工作人員就可以在之后采取相應措施，在設備運行到900h的時候將設備暫時關閉并進行維護，從而避免設備發生故障，將設備運行安全問題從根源上解決。

PLC 系統不僅會對煤礦膠帶輸送機進行監測和保護，同時也會對自身系統進行保護，當掃描儀、適配器或是其他部件出現問題時，系統也會迅速掃描并判斷故障，隨后會及時報警并停止設備運行，相關管理人員就能盡快對系統進行維修[2]。

3 PLC 在煤礦膠帶輸送機中的工作原理

在設備運行時，PLC 系統首先會進行初始化處理，并根據開采的實際需求選擇更加適用的對策控制模式。當設備處在自動控制狀態下運行時，設備中的PLC保護系統會對設備運行情況進行監測，保證設備的安全穩定運行。煤礦膠帶運送機在運行過程中，系統會將輸出電流、運行速度、軸承溫度、油溫等基礎參數，并通過變頻控制器進行控制。而隨后PLC 控制系統會對這些參數進行處理，一旦出現過載情況時，變頻控制器就會自動對設備運行狀態進行改變和調整。PLC 系統工作原理如圖1 所示。

圖1 PLC 系統的工作原理

PLC 控制系統有著兩種控制方式，地面集控和人工就地控制。

地面集控又被細分為地面遠控集中控制和地面自動集中控制，通過在膠帶輸送機的機頭安裝集控操作臺，就可通過操作臺來遠程或就地對膠帶運送機進行操作管理，當啟用遠程功能時，地面集控工作人員只需要在操作時，使用計算機來遠程啟動膠帶運送機，極大的便捷了工作。同時，由于遠程操作的加入，還可以在膠帶運送機中加入聯合閉鎖，讓膠帶運送機實現逆煤流開、順煤流停，并且同時操作人員還能在操作室中通過聯合閉鎖來實現對全部設備更好的操作。

人工就地控制是指井下操作司機、相關檢修人員都可以通過膠帶運送機機頭的控制系統來控制設備的運行。當膠帶運送機為就地模式時，集控室的操作人員就無法對該膠帶運送機進行遠程操控，必須要到井下機頭上親自操控該膠帶運送機，該方法一般適用于對該設備進行修復和檢查時使用[3]。

4 基于PLC 的煤礦膠帶輸送機系統整體方案設計與控制要求

4.1 整體方案設計

PLC 系統在運行中主要存在3 種操作方式，中央自動控制、人機共同控制和機旁人工控制，但這3 種控制方式都需要借助轉換開關才能得以實現。

中央自動控制方式是指工作人員能夠在中央控制室對設備進行操作，其具體的操作步驟是工作人員通過轉換開關將設備的運行管理方式從手動轉變為自動，在這種模式中，管理人員可以利用轉壞開關把狀態信息通過干接點形式輸送到PLC 系統之中，這些信息就會經過電腦處理顯示在中央控制室的顯示器上，操作者就能通過顯示器對現場情況進行了解。

人機共同控制則是現場作業的自動控制，一般在對設備進行調試，或是中央自動控制存在問題時使用。

機旁人工控制則完全是手動控制，當對設備、系統進行維護、維修時，就會使用到該模式，當需要對局部零件進行動作時，就需要借助機旁操作按鈕實現。當使用該模式對設備進行控制時，各個傳動機構便會自動解鎖，各個傳動機構就能單獨啟動或是停止。

4.2 硬件設計

堆料機是將煤炭從膠帶運送機上堆放到料場中的重要設備，堆料機與膠帶運送機的輸送電機、行走電機、動纜與控纜電機、液壓泵電機的控制相連接。在將PLC 系統應用到膠帶運送機上時，就要保證這些輔助機械共同構成控制系統，并確保其能穩定運行。

當取料機出現故障時，PLC 系統就會迅速借助蜂鳴器進行報警，并且管理人員還能借助顯示屏對故障情況進行了解。并且在應用了PLC 系統后，還能實現自動取料功能，通過操作平臺的起動控制按鈕和自動停止按鈕就能對取料機進行操作。同時，管理人員還能利用手動控制來進行手動取料，保證工作效率。

4.3 軟件設計

對觸摸屏進行設計是為了完成系統監控與控制功能，并借助觸摸屏來對管理人員展示設備參數和各類信息。但為了提升管理質量，在對PLC 系統進行設計時，一般會將界面分為主控畫面、參數顯示畫面、狀態顯示畫面和報警畫面。

在控制程序執行完成后，系統會自動轉入輸出環節，此時PLC 控制器會不斷對控制邏輯和數據進行刷新，執行機構也會對控制邏輯進行控制，此時輸出的數據就會對膠帶運送機的運行情況進行決定，從而實現膠帶運送機的自動控制。

目前對PLC 系統進行設計一般使用的是STEP7-MicroWIN SPS V4.0 軟件，在早期一般會將系統分為兩部分，獨立堆料機和取料機。在堆料機系統中，一般包含有1 個主程序、1 個終端系統和6 個子程序。主程序是整個程序的核心，能夠對程序進行初始化設置，并在工作中調動系統的子程序和各類數據。在系統之中，如果出現故障，一般會都為停機故障和不停機故障，膠帶輸送機中的不停機故障有四種，輸送帶打滑、輸送帶跑偏、料流檢測不夠準確、液壓油的油位偏低，目前對著四種故障進行處理一般使用濾波出率，而濾波時間則需要管理人員通過操作屏進行[4]。

5 PLC 在煤礦膠帶輸送機上的應用要點

5.1 電動機的電氣制動

由于皮帶機的制動原理與汽車等常見制動原理不同，皮帶機系統的制動主要是通過改變電動機勵磁的電流方向，改變電動機制動扭矩的方式來達到制動的目的。但由于勵磁繞組的時間常數非常大，這就使得可以通過增加強勵電壓來縮短轉矩反向的時間。

在對皮帶機進行電氣制動時，可以使用接近3 倍左右的強烈電壓來進行制動處理，但在進行控制時，要保持極高的科學嚴謹態度，在進行系統操作時要明確其運行條件和標準，當發出開車信號后，工作人員一定要想利用數字控制系統來對PLC 下達保護檢查指令，在確定設備無任何異常后方可進行啟動，一旦設備出現了異常問題，就要及時停止啟動，并對問題進行修復。在未發現異常的情況下，工作人員的啟動指令就會通過保護PLC 向操作PLC 發出開車指令，隨后通過數字電控系統的指令，就可以實現變頻調速操作，極大程度的保護了設備運行安全。

5.2 鋼纜皮帶控制系統

鋼纜皮帶控制系統是聯動不同電動機運行的重要方式，其采用了均轉矩運行原理，通過兩套調節系統使用相同的速度調節器和給定積分器來保證轉速相同。電流調節器的輸出值相當于速度調節器的輸出值，當兩個電流調節器給定值相同時，其速度也就完全相同。在該系統中，兩臺電機的電磁通具有相同性，兩臺電機也為串聯激磁，這就使得相連接的兩臺電機電樞電流還有扭矩都完全一致。

均轉速的兩臺電機共用同一個給定積分器，這就使得兩者的輸出值完全相同，這就保證了兩臺電機的速度和速度反饋度也完全相同。而在通常情況下，只有在皮帶需要換繩的時候才需要進行均轉速運行。但兩臺機器處于均轉速運行狀態并不代表兩臺機器的運行狀態完全相同，在此狀態下，兩臺機器的負載承受情況也可能會出現不平衡的情況，此時機器內的電流也會出現較大的差異，因此，工作人員一定要對機器的各項參數進行全方面的了解后再進行工作。

5.3 安全與穩定控制應用

PLC 技術的煤礦膠帶運送機控制系統是通過將PLC 系統安裝到了煤礦膠帶運送機上，并實現了串聯，從而實現了井下的機械的集中控制，在同時由于互聯網技術的融入，也能實現井上調度中心遠程監控、管理膠帶運送機的功能，極大程度的便捷了工作。在傳統的采煤工作中，煤礦膠帶運送機會晝夜不停的進行工作，但由于巡檢人員較少，并且井下環境復雜，礦井較深，使得部分區域難以經常性得到巡檢，這就可能會導致煤礦膠帶運送機在工作中出現故障沒有及時發現的問題。而一旦沒有及時發現存在的問題，不僅會對采煤效率產生影響，降低企業的經濟效益，甚至還可能會由于機械出現各類故障引發安全事故，威脅井下工作人員的生命安全[5]。

而通過安裝PLC 系統，控制中心的工作人員就能全程對設備運行狀態進行監控，對存在的問題及時發現。系統的存在讓煤礦膠帶運送機實現了堆煤保護、跑偏保護、溫度保護、速度保護等功能，并且還配置有了急停功能，這極大程度的提高了設備運行的安全性和穩定性，為保證采煤效率和安全打下了良好的基礎。

6 結語

信息化是所有工作生產的發展趨勢，隨著信息化時代的來臨，傳統的生產方式暴露出了生產效率低、安全性差等問題，目前信息化已經被廣泛應用于各類生產之中。煤礦膠帶運送機作為煤礦井下主要的運輸設備之一，決定了煤礦的生產效率，通過將PLC 應用到煤炭膠帶運送機之上，能讓管理人員實現全程對設備的監控以及遠程操作，在設備運行過程中能及早的發現可能存在的異常，在出現問題后能通過遠程操作及時對設備進行關閉，并迅速找到問題對其進行修復，保證了井下作業的安全，為采煤行業的發展打下了良好的基礎。