煤礦井下皮帶輸送機PLC控制實踐研究

郭飛飛

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西太原 030200）

皮帶輸送機是被廣泛應用于化工、冶金、食品、鋼鐵、飼料加工、煤炭等行業的連續性運輸設備，在煤炭行業主要應用于井下煤炭和矸石的轉運，個別煤礦也會用于人員運輸[1-2]。可編程控制器（PLC）是近幾十年來發展最為迅速的控制裝置，是自動化控制、計算機應用、通訊技術相結合的產物，具有數據采集、順序控制和分散控制等諸多功能，且具備運行可靠、適應性強、編程方便，結構簡單等諸多優點，正是如此，PLC的應用也是工業實現機電一體化的重要方式[3-8]。鑒于礦井下條件的復雜化和多變化，多臺皮帶輸送機實現集中智能化控制一直是礦井的研究重點，因此，決定將PLC控制引入到皮帶輸送機控制中，同時實現皮帶運輸狀態的實時監控，現以由4臺皮帶輸送機組成的煤炭運輸系統為研究對象進行皮帶輸送機PLC控制實踐研究。

1 皮帶運輸系統設計

研究對象為由4部皮帶輸送機組成的煤炭運輸系統，見圖1所示。為了確保運輸系統可靠性和安全性，運輸系統配備有自動控制和手動控制兩種控制方法，這兩種控制可通過切換開關實現，所有的操作均布置在主控室內，操作人員可通過控制液晶顯示屏觀測和掌握各設備和運輸系統的運行狀態。4部皮帶輸送機組成的運輸系統采用PLC控制，設備運行狀態的監控由工業控制計算機來實現。為了實現運輸系統的可靠性、安全性和高效性，系統控制功能設計如下：

圖1 煤炭運輸系統示意

（1）為了實現煤炭順序運輸，避免煤炭在皮帶上堆積，運輸系統啟動時依照PD4（M4）→PD3（M3）→PD2（M2）→PD1（M1）的次序逆煤炭運輸方向啟動，各皮帶輸送機電機啟動時間可根據需要啟動間隔時間確定，研究中設定時間間隔為15 s；關閉系統時按照PD1（M1）→PD2（M2）→PD3（M3）→PD4（M4）的次序順煤炭運輸方向啟動，各皮帶輸送機電機停止間隔時間根據現場需要確定，研究中設定時間間隔為30 s，這樣可盡量減少皮帶上的物料。

（2）當運輸系統中某臺皮帶輸送機出現問題時，前方皮帶輸送機和該問題皮帶輸送機能夠自動停車，后續皮帶輸送機不受影響，待輸送完煤炭后自動停止運行。如，當PD2（M2）發生故障，PD1（M1）和PD2（M2）立即停車，PD3（M3）和PD4（M4）按照設定的時間間隔停車，即經30 s后PD3（M3）停車，再過30 s后，PD4（M4）停車，控制流程見圖2所示。

（3）為了確保運輸系統的安全性，避免因非可預料因素導致的皮帶輸送機故障，將急停控制裝置引入到運輸系統中，即如需緊急停車，可實現4部皮帶同時無條件停車。

（4）為了提高運輸系統的運輸效率，將皮帶傳動速度設定為可調，該研究中將皮帶輸送機調速控制設計為分級調速和無極調速兩種控制。

（5）通過監控系統實時掌握皮帶輸送機的運行狀態，各類報警裝置發揮各自功能，確保皮帶輸送機穩定可靠運行。

圖2 運輸系統中各皮帶輸送機啟停控制方式

2 皮帶輸送機PLC控制設計

2.1 PLC控制器

皮帶輸送機控制以往多采用繼電器控制，繼電器控制采用硬件連線方式實現，是利用機械觸點的并聯或串聯和延時來實現控制邏輯，工作頻率相對較低，定時精度不高，易受環境影響，且只能完成既定的邏輯控制。PLC控制可根據需要重新編寫程序，又稱軟連線；PLC指令依靠半導體電路實現控制，速度高、精度高、調整時間方便，受外部環境影響較小。另外，PLC功能集成化程度高，可實現順序控制、傳動控制、過程應用等，適宜復雜程序的控制。考慮到該實踐研究的目的，同時為了降低資金投入和確保安全，采用歐姆龍公司生產的CPM2A系列可編程控制器。

2.2 PLC控制系統結構

如圖3所示，在該研究對象中，工業控制計算機作為上位機與皮帶輸送機PLC控制器進行通訊聯絡，對各皮帶輸送機運行狀態進行實時采樣，如掌握皮帶跑偏信號、電機溫度信號、煙霧信號、皮帶堆煤信號等，并在液晶顯示屏上以文字或者數字的形式顯示，且當監測所得數據超過規定值時會發出警報，如皮帶跑偏超過15°時發出皮帶跑偏警報，當溫度、煙霧等出現異常時也會發出相應的報警，達到設定上限值時自動強制停車。

圖3 皮帶傳輸系統PLC控制結構

為方便皮帶輸送機調速，試驗中設計了分級調速和無極調速兩種調速方式，前者是在一定頻率范圍內根據需要選擇幾個均勻速度作為分級調速輸出頻率，后者是在相應頻率范圍內對變頻器進行無極調速。

2.3 PLC控制程序設計

PLC控制程序具體見圖4所示。在PLC控制器加電時，初始化子程序開始執行命令。分級調速程序和無級調速程序控制皮帶輸送機調速，分級調速頻率范圍設定為0～60 Hz，選取相對均勻的頻率作為輸出頻率，分別為6.4 Hz、12.5 Hz、5.6 Hz和51.4 Hz，通過分級調速實現皮帶輸送機四級調速，且設定四級調速按鈕分別互鎖，只允許一個速度位存在，避免各梯級出現沖突現象；通過設定0～60 Hz頻率范圍內變頻器輸出頻率設計無級調速，其中頻率f=a×x（0≤x≤16，x∈Z；a取經驗值3.2），這樣即可通過改變x值來實現皮帶輸送機的無級調速。聯鎖啟停控制程序實現皮帶輸送機的聯鎖啟動和停車，并可根據突發情況實施部分或者全部皮帶輸送機停車。

圖4 PLC控制程序控制流程

3 PLC控制系統抗干擾措施

PLC控制系統具有性能可靠、功能強、抗干擾能力強等優點，但在強電場、強磁場等高頻干擾下，PLC控制器也會出現控制精度降低、內部數據丟失等現象。分析認為，PLC控制系統干擾源主要有電源線引入干擾、信號線引入干擾和接地系統干擾等，電源線和信號線可能引起電流場和電磁場紊亂，接地系統紊亂會造成接地點電位不均勻，引起地環電流，這些都易影響PLC控制。鑒于此，可采取影響措施來提高PLC控制系統抗干擾能力。

（1）采用專用電源，將電源與其他設備電源分開，避免其他大型設備啟停對供電電源影響；采用隔離變壓器將控制電源與PLC隔離，同時在隔離變壓器和PLC間增加濾波器，盡量避免干擾信號對PLC控制的影響。

（2）在交流信號輸入端并聯壓敏電阻，在直流信號輸入端并聯續流二極管。在直流信號輸出端接壓敏電阻，交流信號輸出端接壓敏電阻，晶體管及晶閘管輸出端接旁路電阻保護。

（3）PLC控制系統應采用直接一點接地方式，同時為了減少地環流的干擾，要求接地電纜截面積不小于2 mm2，接地電阻不超過100 Ω，且接地線要求使用專用地線。

4 結語

煤礦井下皮帶輸送機正常運行是確保生產穩定的重要基礎，而皮帶輸送機當前多采用人工控制，費時費力，且運行穩定性和可靠性難以得到保證。PLC控制作為現代最先進的控制手段，將其運用到井下皮帶運輸系統中可大幅度提高運輸系統的自動化水平，可實現運輸系統的狀態實時監控，同時可通過編程改變PLC控制參數和增減控制功能模塊來提高PLC控制效果，PLC控制是井下皮帶集中控制的發展方向。