基于PLC的皮帶機集控系統開發設計

摘?要：本文以蒲縣蛤蟆溝煤業有限責任公司某礦為研究對象，開發設計了一套以西門子smart系列PLC為核心的皮帶機集中控制系統，對全礦皮帶機進行集中控制，全面實現蛤蟆溝煤礦皮帶機智能控制，達到了降低事故率、提升生產效率、增加效益的目的。

關鍵詞：Smart?PLC；皮帶機；集中控制系統

中圖分類號：TP277

在生產領域，企業的生產效益和成本控制取決于生產經營管理的高效性、實時性、安全性。皮帶機運輸系統作為煤礦的生產主力軍，其管理和調度也應向著智能化、信息化、集中控制的方向發展，因此集控制、保護于一體的遠程調度系統應運而生。目前許多現代化的礦井都已經建成了此類系統，并取得了豐碩的直接和間接效益。

本文以蒲縣蛤蟆溝煤業有限責任公司某礦為研究對象，開發設計以西門子smart系列PLC為核心的皮帶機集中控制系統，該系統控制技術先進、合理、性能穩定可靠，擴展靈活，能夠融合原有的集控系統，全面實現蛤蟆溝煤礦皮帶機集中智能控制。

1?皮帶機概述

蛤蟆溝煤礦皮帶機生產系統由地面4條皮帶機、井下5條皮帶機和1條主斜井皮帶機組成，具體如表1所示：

2?系統設計

2.1?自動控制系統

在每部皮帶機機頭安裝使用一臺控制箱，實現對井下所有皮帶機的數據采集與集中控制。系統可以實現單機控制、檢修控制及手動控制，具備就地及遠程切換選擇，并可顯示系統內設備狀態及參數。皮帶機控制流程如圖1所示。

2.2?視頻監視系統

地面設備主要由組態運行上位軟件組成，在現場對每條皮帶機機頭及刮板機安裝攝像頭，并通過光纖上傳到集控室，可以實時監視及回放各皮帶機視頻監視點的情況。

3?系統方案

本控制系統設定了三種控制模式：集控自動順序、集控手動單機及就地單機控制。其中集控自動順序控制為系統的首選默認模式。工作時，可自由轉換三種模式，不會影響系統的整體運行狀態。

3.1?集控操作模式，可分為“手動”及“自動”兩種

（1）“手動”模式：通過計算機，結合上位機界面，對單機設備進行起停控制。根據現場需要，可自行設定或取消設備之間的聯鎖保護關系。

（2）“自動”模式：根據現場需求，先選定工藝流程，再完成設備的自動起、?？刂?。自動模式下，一般都具備聯鎖保護，若在短時間內需要單獨停止某一設備的運行，可自行取消聯鎖保護。［1］

3.2?現場單機操作

現場安裝一臺本安型操作臺，完成單機設備的啟動、停止控制，用于現場單機調試、維護使用。

3.3?現場停止

停止控制設定為緊急停止，用于設備發生異常時，確保生產安全。即當設備正在運行中，按下停止按鈕，該設備立刻停止，待故障排查后，再恢復運行狀態。

3.4?流程選擇

根據現場的需求，自行選定合適的生產工藝，也可及時進行工藝流程變更。

3.5?啟動功能

該功能僅在“自動”控制方式實現，先根據現場工藝流程選定順煤流或逆煤流方向，再按順序啟動各設備，按順序啟動延時時間可以提前設定好。啟動時，若優先啟動的設備發生故障，則啟動過程暫停，并發出報警。排除故障后，再由現場操作人員決定是否結束啟動。

3.6?停止功能

該功能僅為組態功能，在“自動”控制方式實現，包括三種模式。

常規模式：在周期工作完成后，停止流程。

故障模式：當現場發生故障，在進行檢測、保護裝置動作時，設備立即停止運行，其后級設備經延時（延時時間可自行設定），待帶式輸送機上的煤運完以后，依次停止運行，防止重載啟動。

緊急模式：現場出現意外或緊急情況時，按下組態畫面上的緊急停止按鈕，所有設備立即停止運行。［2］

3.7?預告功能

該功能僅在“集控—自動”控制方式實現，預告信號采用聲光報警裝置，并可持續10～30秒鐘（可調）。啟車信號發出前，在生產系統沿線發送信號，沿線人員聽到后安全撤離，沿線設備方再按預設流程依次啟動。

3.8?保護及故障報警功能

故障報警功能包括啟車、停車以及傳感器監測點報警。報警信號顯示分為上位機界面及現場聲光報警，同時為避免故障范圍擴大，系統還可以根據報警級別自動做出對應的停車處理，并及時保存、打印故障報表。

3.9?數據采集、處理及顯示功能

本系統采用PLC及PROFIBUS總線通信網絡，實時采集現場數據，包括設備啟停時間、故障狀態、工藝流程、運行狀態及顯示參數。使用組態王軟件進行觸摸屏界面設計，顯示畫面包括運行系統監控、皮帶各項參數（報警、極限值等）設置、集控順序設置、信號顯示、報表查詢等。

4?系統配置

4.1?地面集控室

地面集控室安裝集控軟件，用以實現地面計算機的人機交互界面平臺。

正常運行工作時，操作員既可選擇預定義的皮帶機工藝流程自動控制，也可選擇自定義流程的手動控制，屏幕上會實時顯示選擇后的流程；發生異常情況時，操作員可及時對被控設備進行遠程操作。

在機房安裝一臺網絡硬盤錄像機，用于視頻存儲及回放，操作員可以通過操作員站實時監視皮帶機運行情況，同時也可以回放以前監視畫面。

4.2?礦用隔爆兼本質安全型PLC控制箱

礦用隔爆兼本質安全型PLC控制箱是集控系統的控制核心，用于實現系統傳輸信息、控制設備、采集數據等功能，采用西門子PLC、A/D（D/A）轉換模塊、開關電源、各類繼電器等元器件。操作臺根據用戶的需求開發出編制程序，最終將結果輸出到被控設備中。

4.3?皮帶機保護傳感器

控制柜中接入各類傳感器，包括煙霧傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、煤位傳感器、縱撕保護等。設備運行中，若發生故障使傳感器被觸發，則上位機組態畫面會及時顯示并發出報警信號。

4.3.1?煙霧保護

設備運行時若皮帶打滑，易發生摩擦著火，從而產生煙霧，觸發安裝在各驅動部下風向處的煙霧傳感器動作，設備立即停車。

4.3.2?溫度保護

實時監測各皮帶滾筒、減速器軸承溫度，具有溫度曲線查詢和溫度報表查詢功能。

4.3.3?打滑保護

在實際運行中，由于多種原因，當皮帶的速度與主滾筒轉速產生差值，就會發生打滑現象。將檢測皮帶的實時速度及加速度的傳感器接入PLC，將實際反饋值與整定值進行比較，判斷是否輸出打滑信號。

4.3.4?縱撕保護

當皮帶機在卸煤過程中，有大塊的鋒利的尖狀矸石落下時，容易發生縱向撕裂，因此縱撕保護通常都安裝于輸煤系統的落煤處。本系統采用礦用本安型撕裂傳感器，當檢測到撕裂時觸發動作，皮帶機立即停車并發出報警。

4.3.5?堆煤保護

堆煤保護是指在輸煤過程中，當較大煤塊堆積在皮帶機機頭時，皮帶機能夠自動停機。煤位傳感器通常吊掛在皮帶機頭，當煤的高度超出標準范圍時，傳感器動作，皮帶機自動停車并及時報警。

4.3.6?跑偏保護

皮帶跑偏是煤礦皮帶機在運行過程中較為常見的故障現象。將跑偏傳感器固定安裝在皮帶機前后兩端支架上，當皮帶在運行發生跑偏時，傳感器的滾輪偏轉到規定角度外時，觸發開關接點從而發出報警，并使皮帶機立即停車。

4.3.7?拉線急停保護

拉線急停開關是煤礦帶式皮帶機沿線的緊急停止裝置，當輸送帶出現跑偏、打滑、撕裂等情況時，工作人員能夠及時拉動急停裝置的鋼絲繩，使皮帶機停止工作。［3］本系統采用礦用本安型智能拉線開關，分別進入PLC系統和控制回路，一旦拉線開關發生動作，系統會立即發出報警并緊急停車。

4.3.8?張緊力保護

本系統采用礦用本安型張力傳感器，檢測輸送機皮帶張緊力，當皮帶張緊程度超限時，將自動開啟張緊絞車進行調整。

5?結論

該系統遵循的設計原則要求控制系統技術先進、合理、性能穩定可靠，擴展靈活，能夠融合原有的集控系統。蛤蟆溝煤礦通過應用該系統，搭建了專用傳輸平臺、數據平臺和監控平臺，大大提高了安全系數，實現了數據共享、報警聯動功能，既保障職工人身安全，又減少由于礦井災難所造成的損失。通過煤礦管控一體化，提高了煤礦的安全生產管理調度水平，從而全面實現了蛤蟆溝煤礦皮帶機集中智能控制。

參考文獻：

［1］王國富，王勝杰.淺談西門子300PLC選煤廠集中控制系統［J］.科技與企業，20150821.

［2］任杰，肖衛雄.選煤廠自動化集成平臺的設計［J］.工礦自動化，20101214.

［3］張晉鋒.礦用帶式輸送機拉線急停開關故障及處理［J］.機械管理開發，20200916.

［4］劉鵬濤.PLC在礦山機電自動控制中的應用［J］.中國化工貿易，2019（04）：110112.

［5］陳軍君.PLC在煤礦皮帶機監控系統中的應用［J］.能源與節能，2019（05）：151171.

基金項目：安徽水利水電職業技術學院2021年度高?？茖W研究項目（XJKJ202104）

作者簡介：張雅潔（1983—?），女，漢族，安徽合肥人，碩士，講師，研究方向：控制理論與控制工程。