煤礦井下帶式輸送機(jī)PLC 集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

田志平

（遼寧煤機(jī)裝備制造（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

帶式輸送機(jī)是煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)中最為核心的設(shè)備，其運(yùn)行效率與性能甚至能在一定程度上決定整個(gè)礦井的生產(chǎn)質(zhì)量與安全穩(wěn)定性。集控中心作為帶式輸送機(jī)的“大腦”，其設(shè)計(jì)水平是保障帶式輸送機(jī)工作質(zhì)量的關(guān)鍵。煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，需要結(jié)合多臺(tái)輸送機(jī)工作才能保障物料輸送工作的穩(wěn)定性與效率，但對(duì)既有運(yùn)作系統(tǒng)進(jìn)行分析后可知，不同系統(tǒng)、區(qū)間內(nèi)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)存在各臺(tái)帶式輸送機(jī)之間溝通不暢的問(wèn)題，并且既有的控制系統(tǒng)實(shí)際效益較差，導(dǎo)致相關(guān)作業(yè)人員難以了解物料運(yùn)輸過(guò)程中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)問(wèn)題，容易造成操作控制失誤，進(jìn)而導(dǎo)致溢堵等生產(chǎn)事故。為應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題，業(yè)內(nèi)眾多學(xué)者都立足于煤礦井下的特殊作業(yè)環(huán)境與作業(yè)需求，提出了不同角度的集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。本次研究在充分借鑒前人智慧的同時(shí)積極發(fā)揮既有的研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出PLC 集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用可編程序控制器替代傳統(tǒng)繼電器與接電器聯(lián)用的模式，秉持著科學(xué)選擇硬件、完善軟件以及互不干擾的操作原則，設(shè)計(jì)安全性和可靠性均符合煤礦井下作業(yè)環(huán)境與要求的集控系統(tǒng)。

1 煤礦井下帶式輸送機(jī)PLC 集控系統(tǒng)基本組成

1.1 基本組成

PLC 集控系統(tǒng)包含地面及井下控制。地面控制子系統(tǒng)由控制軟件和工控機(jī)組成，用于遠(yuǎn)程操控井下的帶式輸送機(jī)；井下控制子系統(tǒng)由變頻調(diào)速模塊、PLC 控制箱、數(shù)據(jù)采集模塊、煤流檢測(cè)模塊和操作臺(tái)組成[1]。以PLC 組成邏輯控制功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變內(nèi)部程序，即可滿足不同控制功能實(shí)現(xiàn)要求。在延時(shí)控制方面，區(qū)別于繼電器依賴延時(shí)繼電器作業(yè)的方式，使用PLC 集控系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間繼電器，發(fā)揮半導(dǎo)體的精準(zhǔn)控制作用，防止出現(xiàn)受外圍溫度等要素影響的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)中整體系統(tǒng)共存在9 部帶式輸送機(jī)，通過(guò)配置1 套控制體系，電控裝置與通信系統(tǒng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)皮帶集散控制。共設(shè)8 個(gè)分站，由保護(hù)裝置、分站控制箱、分站控制臺(tái)、觸摸屏、主站控制箱和控制臺(tái)監(jiān)測(cè)控制輸送機(jī)的各機(jī)械設(shè)備。選用Q 系列的控制器，在PLC 集控系統(tǒng)控制柜內(nèi)部設(shè)有變壓器、接線端子、以太網(wǎng)板塊、輸入輸出板塊、D/A 板塊、電源板塊和PLC 板塊[2]。

集控臺(tái)面板處設(shè)有手動(dòng)控制模式、檢修模式、單機(jī)就地模式和集控模式開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)即可轉(zhuǎn)換控制模式；設(shè)有各部輸送投入/退出按鈕、急停按鈕、停止按鈕、啟動(dòng)按鈕、發(fā)送信號(hào)按鈕。顯示屏可清晰顯示系統(tǒng)內(nèi)輸送機(jī)的故障及運(yùn)行狀態(tài)，且發(fā)生故障時(shí)，顯示屏將明確給出故障位置和類(lèi)型[3]。

分站控制臺(tái)面板設(shè)有帶速顯示表、電流、故障指示燈、急停按鈕、輸送機(jī)啟停按鈕。單機(jī)就地模式下，操作人員可通過(guò)控制對(duì)應(yīng)分站控制臺(tái)，控制各臺(tái)輸送機(jī)的啟停。

1.2 功能特點(diǎn)

總體來(lái)講，PLC 集控系統(tǒng)具備監(jiān)控和保護(hù)監(jiān)測(cè)兩大功能。監(jiān)控的對(duì)象為張緊裝置、制動(dòng)閘以及整個(gè)帶式輸送機(jī)，監(jiān)控機(jī)械設(shè)備啟動(dòng)、速度調(diào)節(jié)、啟動(dòng)預(yù)警以及控制張緊裝置、制動(dòng)閘。保護(hù)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目為輸送帶是否出現(xiàn)拉線急停、報(bào)警、跑偏、撕裂、堆煤、溫度超限、煙霧超限、打滑的情況以及帶速和電機(jī)電流的采集。在發(fā)生溫度、煙霧超限以及輸送帶堆煤、打滑問(wèn)題時(shí)，停機(jī)報(bào)警。

2 煤礦井下帶式輸送機(jī)PLC 集控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 模塊型號(hào)

本文所設(shè)計(jì)的PLC 集控系統(tǒng)中包含輸入位和輸出位各9 和28 個(gè)，為滿足集控需要，選定Q 系列作為PLC。其中，16 點(diǎn)輸入、輸出為QY40 型號(hào)，數(shù)量為1；QX40 模塊，數(shù)量為3 個(gè)；QJ61BT11N的CC-LINK；QJ71E71-100 為以太網(wǎng)。該P(yáng)LC 控制器具備性能穩(wěn)定、功能豐富、體積小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其最大的優(yōu)勢(shì)在于其能夠在與通信模塊、變頻器、模擬量化數(shù)字量等多個(gè)外接模塊相銜接的同時(shí)支持多個(gè)CPU 同時(shí)工作，維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高效率，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信與控制需求。這不僅是實(shí)現(xiàn)集控的基礎(chǔ)，同時(shí)也是開(kāi)展高質(zhì)量井下作業(yè)的基礎(chǔ)，通過(guò)通信聯(lián)系能夠組建大型的控制系統(tǒng)，該控制器還在很多領(lǐng)域都有相關(guān)應(yīng)用。

2.2 外圍硬件電路

主皮帶帶式輸送機(jī)更傾向于中等負(fù)荷的范疇，因此軟啟動(dòng)器電源來(lái)源于經(jīng)饋電負(fù)荷側(cè)的電動(dòng)機(jī)電源，電動(dòng)機(jī)電源來(lái)源于軟啟動(dòng)器的負(fù)荷側(cè)，在閉合軟啟動(dòng)器后，電動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)，使得帶式輸送機(jī)具有動(dòng)能?？煽毓枘K由可控硅組成，兩回路調(diào)節(jié)器為中心元件。當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)后，調(diào)節(jié)器在設(shè)定的曲線和時(shí)間的支持下，控制電機(jī)維持穩(wěn)定平滑啟動(dòng)狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)軟啟動(dòng)器操作[4]。分成直啟和軟啟操控軟啟動(dòng)器，啟停帶式輸送機(jī)的操作：將按鈕撥至近控檔，并將隔離開(kāi)關(guān)閉合后即可通過(guò)點(diǎn)擊啟停按鈕切換輸送機(jī)工作狀態(tài)。而將按鈕撥至遠(yuǎn)控檔后，將隔離開(kāi)關(guān)閉合后即可通過(guò)點(diǎn)擊集控啟停按鈕或者操作面板上的按鈕實(shí)現(xiàn)軟啟。軟啟動(dòng)器控制原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 軟啟動(dòng)器控制原理圖

PLC 各模塊的接線方式見(jiàn)圖2。

圖2 輸出模塊接線圖

輸出點(diǎn)的控制對(duì)象及效果：控制PLC 運(yùn)行指示燈、井上下集控、故障報(bào)警燈、灑水電磁閥、集控旁路、主電機(jī)啟停和閘電機(jī)啟停、信號(hào)傳輸。設(shè)置備用點(diǎn)7 個(gè)，常開(kāi)1KA～5KA 中間繼電器的接點(diǎn)控制灑水電磁閥、集控旁路、主電機(jī)啟停、信號(hào)和閘電機(jī)啟停。例如：在輸送機(jī)啟動(dòng)模式下，3KA 在得到輸出模塊的供電電壓后，閉合常開(kāi)接點(diǎn)，并與軟啟動(dòng)器使用線纜連接，使得軟啟動(dòng)器以及帶式輸送機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。在線路故障時(shí)，通過(guò)外圍的旁路電路可在按下SB10 按鈕后使得3KA 維持正常得電狀態(tài)[5]。利用旁路代替原本發(fā)生故障的模塊，控制軟啟動(dòng)器正常工作。

控制箱電源線路中，閘電機(jī)的主回路可轉(zhuǎn)變電壓大小，在PLC 得電后，電壓從AC660V 變?yōu)锳C220V、AC200V、AC127V，對(duì)應(yīng)3U、2U、1U情況，且將AC220V 變?yōu)?DC24V，為系統(tǒng)模塊輸入輸出端正常運(yùn)轉(zhuǎn)供電。設(shè)置AC220V 插座，放置于控制箱中，支持現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、讀出等程序作業(yè)。

3 煤礦井下帶式輸送機(jī)PLC 集控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序的作用為初始化寄存器和調(diào)用子程序。得電啟運(yùn)后，初始化寄存器，按照預(yù)先設(shè)定的中斷參數(shù)中斷關(guān)聯(lián)，獲取輸入信號(hào)?；谳斎胄盘?hào)的具體參數(shù)及特征，傳輸至對(duì)應(yīng)的子程序中。一般指控制子程序和保護(hù)參數(shù)監(jiān)測(cè)子程序。信號(hào)轉(zhuǎn)入后，執(zhí)行相應(yīng)程序及功能，刷新過(guò)程映像，將寄存器得到的結(jié)果輸出。判斷是否為PLC 停止?fàn)顟B(tài)，若已停止，結(jié)束程序運(yùn)行；若并未停止，退回至輸入信號(hào)采集階段繼續(xù)循環(huán)。除此之外，相關(guān)工作人員可以在既有監(jiān)控需求的基礎(chǔ)上另外編入與作業(yè)環(huán)境相契合的故障指示與自動(dòng)記錄程序，以此保障在相關(guān)組件出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)并排除故障。基于PLC 控制的變頻器在調(diào)試系統(tǒng)的過(guò)程中會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的額定功率、額定電流以及磁極數(shù)等參數(shù)輸入至控制程序之中。后期運(yùn)行過(guò)程中，變頻器可以利用自身的接口與PLC 控制程序達(dá)成銜接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信控制，而PLC 控制程序也可以從變頻器中讀取到系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，如運(yùn)行方向、頻率轉(zhuǎn)速、電流以及電壓等?；趦烧叩南嗷ヅ浜蠈?shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的細(xì)節(jié)控制。

3.2 PLC 軟件

打點(diǎn)信號(hào)由操作臺(tái)的打點(diǎn)按鈕發(fā)出，2KA 繼電器得電后，閉合常開(kāi)接點(diǎn)，電鈴被接通并發(fā)出與打點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)匹配的聲光信號(hào)。預(yù)警由電鈴發(fā)出響聲，在啟動(dòng)PLC 后，閉合其內(nèi)部繼電器，輸出位被觸發(fā)。電鈴得電接通后控制吸合2KA 繼電器，由此接通電鈴電路，實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

集中皮帶啟動(dòng)后，操控集控系統(tǒng)中的啟動(dòng)按鈕，觸發(fā)閉合內(nèi)部繼電器操作，輸出位和時(shí)間繼電器觸發(fā)，電鈴電路由PLC 輸出位接通，開(kāi)始電鈴預(yù)警。定時(shí)器定時(shí)6 s 后，將輸出位斷開(kāi)，結(jié)束電鈴預(yù)警，并將另一內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)，延時(shí)約2 s，另一輸出位被觸發(fā)。該輸出位與3KA 繼電器電路接通，得電后閉合常開(kāi)節(jié)點(diǎn)[6]。軟啟動(dòng)器接收啟動(dòng)信號(hào)，將主電路電源閉合，啟動(dòng)集中皮帶電機(jī)。該電機(jī)啟動(dòng)后其他帶式輸送機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，維持正常運(yùn)行狀態(tài)后，閉合集中皮帶軟啟動(dòng)器的主電路接觸器，傳輸運(yùn)行反饋信號(hào)，此信號(hào)將觸發(fā)PLC 內(nèi)部定時(shí)器。在延時(shí)約5 s 后，定時(shí)器沿置位上升至輸出位，與此同時(shí)，借助自動(dòng)閉合輸出位操作，輸出位得以自保的基礎(chǔ)上，另一帶式輸送機(jī)啟動(dòng)。

3.3 溫度監(jiān)測(cè)子程序

采集監(jiān)測(cè)拉線開(kāi)關(guān)、傳感器是否出現(xiàn)跑偏、撕裂、堆煤、溫度偏高、煙霧量超標(biāo)和速度超標(biāo)的信息數(shù)據(jù)，獲得數(shù)據(jù)中若存在超標(biāo)情況，要報(bào)警處理。

3.4 控制子程序

控制的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)為帶式輸送機(jī)運(yùn)行效果影響因素。通過(guò)監(jiān)測(cè)控制張緊裝置的張緊效果、制動(dòng)閘開(kāi)閉狀態(tài)、擴(kuò)音電話開(kāi)車(chē)預(yù)警，提升設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化水平。

3.5 人機(jī)交互界面

位于上位機(jī)中的監(jiān)控畫(huà)面能夠全天候?qū)崟r(shí)顯示相關(guān)作業(yè)環(huán)境中每個(gè)皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓值、電流值、作業(yè)溫度等數(shù)值，以此保障相關(guān)作業(yè)人員能夠通過(guò)人際交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制。

4 變頻器配置

應(yīng)結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的額定功率去選擇、調(diào)試變頻器，以此保障變頻器的整體容量始終高于電機(jī)輸出功率的額定值。變頻器的主回路包含：1）交流—直流變換環(huán)節(jié)，即將頻率與電壓都不能發(fā)生變化的三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?）直流—逆變交流環(huán)節(jié)，即將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率都能依照應(yīng)用需求靈活轉(zhuǎn)換的交流電。變頻器基本構(gòu)成見(jiàn)圖3。

圖3 變頻器基本構(gòu)成

基于井下作業(yè)的特殊要求，本次研究主要應(yīng)用MM420 變頻器配合現(xiàn)場(chǎng)總接線口對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)節(jié)控制，其控制電路主要包含：

1）數(shù)字信號(hào)處理器：主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)電流、電壓以及溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與采樣，基于不同參數(shù)的細(xì)微變化開(kāi)展故障檢測(cè)與報(bào)警工作。

2）輸入與輸出端子：用于接收外部信號(hào)（如開(kāi)關(guān)、傳感器信號(hào)等）和輸出控制信號(hào)。這些信號(hào)用于控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止、速度調(diào)整等。

3）通信端口：利用一臺(tái)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)構(gòu)、整體系統(tǒng)中多臺(tái)變頻器的遠(yuǎn)程控制以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4）操作面板：利用數(shù)字信號(hào)處理器以及通信端口與PLC 集控系統(tǒng)主要操作面板相銜接，將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化格式，以滿足相關(guān)工作人員的觀察與操作需求。

5 傳輸機(jī)的邏輯關(guān)系與控制

1）啟動(dòng)與停止邏輯：每個(gè)分站可以獨(dú)立控制其負(fù)責(zé)的帶式輸送機(jī)。主控制站可以發(fā)出全局命令，比如緊急停止所有輸送機(jī)，或者按順序啟動(dòng)。

2）順序控制：為避免物料堆積或設(shè)備過(guò)載，輸送機(jī)的啟動(dòng)和停止遵循特定的順序。例如，物料流的下游輸送機(jī)需要先啟動(dòng)，上游輸送機(jī)后啟動(dòng)。

3）互鎖與安全保護(hù)：各輸送機(jī)之間通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)互鎖控制。例如，如果一臺(tái)輸送機(jī)因故障停機(jī)，與其直接相關(guān)的上下游輸送機(jī)也會(huì)自動(dòng)停止，防止事故擴(kuò)大。

4）狀態(tài)監(jiān)測(cè)與反饋：通過(guò)安裝在各輸送機(jī)上的傳感器，PLC 系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如速度、溫度、負(fù)載等。任何異常都會(huì)被立即反饋到主控制站和相關(guān)分站。

5）優(yōu)化調(diào)度：系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)的工作需求和設(shè)備狀態(tài)，調(diào)整各輸送機(jī)的運(yùn)行模式和速度，以優(yōu)化整體的物料流。

6）維護(hù)與故障排除：系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了維護(hù)和故障排除的功能。通過(guò)觸摸屏和控制臺(tái)，操作人員可以方便地訪問(wèn)任一輸送機(jī)的狀態(tài)信息，快速響應(yīng)和處理故障。

6 煤礦井下帶式輸送機(jī)PLC 集控系統(tǒng)應(yīng)用效果

將所設(shè)計(jì)的PLC 集控系統(tǒng)接入到煤礦井下帶式輸送機(jī)系統(tǒng)上，得到以下結(jié)果：

1）在集控主畫(huà)面上能夠?qū)γ颗_(tái)帶式輸送機(jī)的搭接和分布情況整體掌控。一方面能夠滿足相關(guān)作業(yè)人員及時(shí)、精準(zhǔn)分辨機(jī)組狀態(tài)的需求，一方面則為保障工作人員能夠針對(duì)不同的機(jī)組故障在相關(guān)系統(tǒng)的輔助下以最快的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備、程序軟件的調(diào)整與優(yōu)化，完成對(duì)故障的檢查與修正工作，杜絕更高的損失。

2）分畫(huà)面上能夠顯示出煤倉(cāng)煤位、帶速、溫度、電機(jī)電流以及單機(jī)的各個(gè)狀態(tài)，滿足工作人員對(duì)不同機(jī)組作業(yè)環(huán)境、機(jī)身參數(shù)等內(nèi)容的觀察與控制。

3）結(jié)合軌道巡檢機(jī)器人上搭載的多種傳感器，能夠?qū)⑤斔蜋C(jī)運(yùn)行環(huán)境氣體濃度、煙霧量、溫度數(shù)據(jù)等在紅外熱像儀、聲音圖像采集器上的數(shù)據(jù)傳輸至控制平臺(tái)，控制人員依據(jù)數(shù)據(jù)查詢復(fù)現(xiàn)故障問(wèn)題及原因。處于地面控制中心的人員也可實(shí)時(shí)傳輸報(bào)警信息，并記錄在平臺(tái)上，完成逆煤流和順煤流的啟動(dòng)。

7 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下帶式輸送機(jī)的PLC 集控系統(tǒng)由變頻調(diào)速模塊、PLC 控制箱、數(shù)據(jù)采集模塊、煤流檢測(cè)模塊和操作臺(tái)組成。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況、切換不同輸送機(jī)啟停狀態(tài)，排除外部環(huán)境因素的干擾前提下，縮短故障檢修和修復(fù)時(shí)間，對(duì)于提升多臺(tái)帶式輸送機(jī)正常工作效率起到促進(jìn)作用。