基于S7-300的皮帶機集中控制系統

文/鮑勇豪

1 概述

煤礦井下皮帶機少則幾百米,多則數千米。按照規定需給皮帶機裝設皮帶保護：皮帶機沿線的拉線開關每隔100m設1個,跑偏開關應在機頭、機尾各設1對,再根據膠帶長度在中間設若干對。輸送機若是1km長,則拉線開關設11個,跑偏開關最少設3對。再加上配套的跑偏傳感器、速度傳感器、張力傳感器等等，安裝時的布線復雜程度可想而知，為了減少安裝布線的復雜程度傳統皮帶保護的安裝一般將各類傳感器的輸出閉點串接，但這又引發的一個問題是一旦發生跑偏、拉線等故障動作時,要判斷哪一位置的保護動作也不是一件容易的事。同時煤炭在運輸的過程中防止堆煤又要求沿途的皮帶機滿足逆煤流啟車、順煤流停車的啟停要求，這就需要皮帶機的操作工不斷地打點聯絡其它條皮帶機的操作人員按要求開停皮帶機，針對這種工況華鑫公司開發了KJ886皮帶機集中控制系統。系統采用一根八芯快插式總線連接各傳感器、遠程I/O、擴音電話等，以西門子S7-300可編程序控制器為核心、Profibus為現場總線為基礎實現了沿線各傳感器的自動識別及對位顯示及對多條皮帶機集中監控，達到了皮帶機的全過程集中控制目的，為煤礦的減員增效打下了堅實的基礎。

2 控制系統結構

2.1 系統組成

（1）礦用可編程序控制箱：KJ886系統供電、控制、監測、顯示中心；

（2）本安型操作臺：系統操作、監測中心；

（3）系列組合拉線急停：可以實現拉線急停、沿線閉鎖、通話、預警等功能；

（4）礦用八芯拉力阻燃電纜：帶有兩層護套、雙層屏蔽、兩個快速不銹鋼插頭；

（5）系列組合急停閉鎖開關：可以實現拉線急停、沿線閉鎖；

（6）遠程I/O：用于遠距離開關量、模擬量等信號的采集和遠程控制，當遠程I/O位于主控制器1KM以內時，通訊總線采用profibus；當距離大于1KM，小于5KM時采CAN通訊；

（7）系列傳感器：用于皮帶機的保護。

2.2 原理框圖

如圖1所示。

圖1

2.3 工作原理

KJ886皮帶機監控系統的Profibus總線有兩個重要功能，一個功能是通過DP轉MODBUS連接可編程序控制器與拉線開關，還有一功能是用于頭部皮帶可編程序控制器（通常稱之為主控制器）與其它皮帶的可編程序控制器（稱為從控制器）或沿線的遠程I/O的通訊實現其它皮帶機、給煤機等設備的數據采集與聯鎖控制。上電后控制器可以通過對拉線開關報文進行解析：以確定其（包括跑偏）數量、狀態；當沿線的Profibus總線接入遠程I/O或礦用可編程序控制器時，它們可以將自己的所有信息以報文的形式發送給主控制器，同時接受并執行主控制器發送的各種控制指令，實現多個皮帶機或其它設備的集中控制或聯鎖控制。PROFIBUS現場總線是世界上應用最廣泛的高速現場總線，目前在多種自動化的領域中占據主導地位。其具有傳輸速率快等特點，最高速率可達12Mbit/S，在通訊距離達到1KM時通訊速率仍可達到187.5Kbit/S的水平。

2.4 系統功能

（1）所有皮帶機具有：①當所連接的磁力啟動器、CST、變頻器等設備具有通訊功能時可實現在操作臺上進行參數整定及故障解析。②低速打滑保護；③跑偏保護及對位顯示；④煙霧保護；⑤超溫灑水保護；⑥堆煤保護；⑦系統顯示煤倉煤位；⑧沿途拉線急停及對位顯示；⑨撕裂保護等，顯示屏上顯示速度、電流等實際工作狀態，發生故障時控制中心可以顯示故障位置、類型并報警（或停車）。

（2）工作方式有遠控、集控、手動、就地和閉鎖五種工作方式。

在選擇“遠控”檔位時，系統的所有皮帶的控制權歸PC上位控制系統，由上位系統通過以太網發出控制命令，傳到機頭主站，控制皮帶機啟停，由此實現地面集中控制。

在選擇“集控”檔位時，系統的所有皮帶的控制權歸頭部皮帶的控制主站，通過操作臺上的自動控制的按鈕來實現控制命令的下發，控制皮帶機系統的自動運行，前后設備之間符合“順煤流停車、逆煤流起車”原則。在集控模式下上位組態仍然可以監測集控運行的相關參數。

在選擇“手動”檔位時，系統的所有皮帶的控制權仍歸頭部皮帶的控制主站，通過操作臺上的手動控制的按鈕來實現控制命令的下發，控制單條皮帶機的運行。

在選擇“就地”檔位時，系統的各設備的操作權歸其的就地控制按鈕，頭部則為操作臺上自動控制區的控制按鈕，此方式下由人工現場控制，主要用于設備檢修與現場調試。

在選擇“閉鎖”檔位時，系統處于停止狀態，保障安全檢修。

（3）語音通訊功能。各皮帶機通過八芯總線每100m設1臺擴音電話，膠帶巡檢人員可隨時與沿線人員通話，便于膠帶檢修、聯絡。

（4）報警功能。皮帶機啟、停前的語音預警、發生故障時故障類型的語音報警。

3 現場使用實例

陽煤三礦豎井皮帶系統由兩部皮帶、兩部刮板輸送機、一臺給煤機組成，于2017年4月安裝一套KJ886皮帶機集中監控系統，該系統將皮帶機相關各種設備狀況信息及控制集中到頭部皮帶機機頭位置的中心站，自投入使用以來該系統運行穩定，故障檢測準確、保護動作可靠。實現了在操作臺上一鍵操作所有皮帶機、刮板機及給煤機的逆煤流啟車、順煤流停車功能；同時也實現沿線傳感器的故障對位顯示、故障信息的語音播報等功能，該系統還可將所有信息通過光纖傳輸到地面進行監測、記錄、存儲，提高了全礦井皮帶機輸煤系統的現代化管理水平。

4 結語

西門子S7-300PLC是西門子公司的中型PLC，在很多大型采煤機械設備中均有應用，其在煤礦井下的惡劣環境下經受住了性能與穩定性的考驗。華鑫公司開發了采用S7-300PLC作為控制核心，以Profibus為現場總線，沿線傳感器、擴音電話等可采用八芯快插快速連接的KJ886皮帶機集中控制系統。在現場實際應用中該系統安裝方便、運行可靠、所有傳感器的接入實現了自動檢測與動作時的對位顯示，井下所有皮帶機操作僅需一名操作工（同時安排少量巡檢人員工作），這不僅大大改善了工人的工作環境，減少人員安排，減少人為事故隱患，為企業創造了實實在在的經濟效益。