基于PLC的煤礦帶式輸送機監控系統設計與探討

馬永兵

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河煤礦二號井，山西 晉城 048000）

帶式輸送機作為煤礦生產中重要的運輸設備，在散狀、塊狀物料的運輸中具有重要作用，被廣泛應用在于煤礦物料運輸過程中。帶式輸送機在長時間連續工作過程中，往往會出現打滑、跑偏、發熱等故障，影響其工作效率。本文通過分析上述故障原因，設計相關檢測方案，實現故障在線監測與故障報警，提高了煤礦帶式輸送機運輸系統的穩定性[1]。

1 帶式輸送機運輸系統常見故障分析

帶式輸送機工作環境復雜，容易受到外界的干擾產生電氣故障，影響其正常工作。以下對帶式輸送機工作過程中的常見故障進行分析，得出不同類型故障的特點。

1.1 跑偏故障

煤礦帶式輸送機運輸的物料主要是散裝和塊狀的煤炭，當不同大小、形狀的煤炭散落在帶式輸送機上時，輸送帶表面承受的重量往往不均衡，造成物料的重心不是分布在輸送帶中心線上，此時，如果體積大的塊狀物料集中散落在的一邊，對輸送帶產生較大的壓力，使得輸送帶在運輸過程中發生傾斜。在實際生產過程中，在漏斗下方增加緩沖裝置，對下方物料減少塊狀物料對輸送帶的沖擊[2-3]，現場見圖1。

圖1 漏斗緩沖

1.2 打滑故障

帶式輸送機的動力來源是輸送帶下方旋轉的滾筒，通過滾筒與輸送帶之間的摩擦力實現物料的運輸，當輸送帶上方的散裝物料落入輸送帶與滾筒之間，將會降低膠帶與滾筒之間的摩擦力，使兩者的運動不能同步，進而發生打滑故障，若不能及時處理，會增加輸送帶溫度甚至產生明火。

1.3 發熱故障

帶式輸送機需要根據現場的工況進行頻繁啟動和停止，當漏斗控制和輸送帶運行不能合理配合時，會在輸送帶上堆積大量的煤礦物料。在滿負荷啟動的過程中，滾筒電機最大功率輸出，容易產生發熱的現象，由于井下條件復雜，充滿著煤粉和瓦斯氣體，一旦出現明火將會造成非常大的安全事故，

2 硬件電路設計

2.1 系統總體結構

帶式輸送機運輸監控系統見圖2，一般由上位機調控子系統、井下集控站、電氣控制子系統等部分組成，各個子系統之間通過阻燃電纜進行連接，進行實時通訊。其中，上位機調控模塊位于地面調度中心，主要實現對煤礦中所有電氣設備運行狀態的在線監測與實時工況信息的存儲，并可以下達控制指令，是整個煤礦自動化系統的控制核心；電氣控制模塊主要以PLC作為控制核心，通過相關數據采集和分析，實現對故障的實時顯示和在線診斷，是實現煤礦自動化的核心；命令執行模塊包括各種傳感器和繼電器設備，可以根據PLC和上位機的操作指令對系統運行參數進行檢測，為帶式輸送機的故障診斷提供基礎性數據，是各種故障診斷的基礎。

基于PLC的電氣控制子系統包括電源輸入模塊、UPS電源模塊、通訊模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊。主控制器選型為S7-300，具有計算快、體積小的特點，并可以根據工程需要安裝相關的擴展模塊。現場監測數據通過RS-485總線上傳給井下集控站，進行數據處理與存儲，集控站的檢測信息和現場操作指令通過以太網傳輸到地面調度中心。

圖2 帶式輸送機運輸監控系統結構

2.2 PLC及相關模塊選型

S7-300是西門子公司生產的具有極高穩定性的工業可編程邏輯控制器，體積小、功能穩定，具有統一的指令集，包括通訊指令、位指令、時鐘指令等，可以通過邏輯編程實現不同的功能，采用模塊化的設計，增加工業使用的靈活性。被廣泛應用在工業生產、工廠自動化等領域[4]。外圍模塊選型如下：

電源模塊選型為6ES7 307-1KA01-0AA0，可以實現220VAC到24VDC的轉換，為CPU及相關的外圍模塊進行供電；模擬量輸入模塊選型6ES7 331-7kf02-0ab0模塊，具有8點模擬量輸入，輸入電壓范圍是0～5V；數字量輸入模塊選型6ES7321-1BL10-0AA0模塊，采用光電隔離技術，增加信號輸入采集的可靠性；數字量輸出模塊選型6ES7322-2BH01-0AA0模塊，利用晶體管輸出數字信號，輸出電流最大2A。

2.3 故障檢測電路設計

帶式輸送機工作過程中的常見故障包括打滑、跑偏、發熱等，在故障檢測電路中，通過傳感器對輸送帶運行中相關參數的實時監測，實現對故障類型的判斷，將故障信息上傳給上位機，提示操作人員進行處理。

（1）跑偏故障

在輸送帶跑偏故障的檢測中，一般通過使用行程開關檢測輸送帶的偏移位置判斷輸送帶是否發生跑偏故障，當輸送帶的某一個部分觸碰到行程開關時，開關啟動，控制電路的關斷。行程開關的選型為LXW5-11G1系列，正常工作時的極限角度為75°，外殼防護等級為IP65，具有自動復位功能，安裝見圖3。行程開關安裝在輸送帶的左右兩側，在前、中、后三個部分分別安裝三對，通過與安裝支架的連接進行固定。

圖3 行程開關安裝

（2）打滑故障

打滑故障時帶式輸送機運輸系統常見的故障之一，會造成漏斗下煤炭的積累并形成輸送帶堵塞。在輸送帶打滑故障中，一般選擇接近開關計算滾筒的旋轉周期，并將監測信息發送給現場PLC控制器。本系統中接近開關選型為DH-Ⅱ，在輸送帶滾筒軸端焊接鐵片，滾筒每旋轉一周，接近開關接收一個脈沖信號，通過計算一定時間內滾筒的圈數與輸送帶的實際位移量進行對比，判斷輸送帶打滑的程度。檢測原理見圖4。

圖4 接近開關原理

（3）發熱故障

當輸送帶的運行過程中出現卡死或者輸送帶上煤炭重量太大時，滾筒啟動困難，容易出現發熱故障。本系統中對發熱故障的檢測使用PS-300V紅外測溫儀，該傳感器的測溫范圍是0℃～300℃，輸出電壓信號范圍是0V～5V，測溫精度±0.1%。電氣連接方式見圖5。

圖5 測溫電路電氣連接

在安裝過程中，將紅外測溫儀的頭部對準滾筒，安裝于距離12 cm的位置上，保證被測物體在監測范圍內，并保證傳感器的測量精度。

3 系統軟件設計

S7-300系列的PLC的編程軟件選擇STEP7軟件，通過該軟件可以方便地進行程序編程與調試，采用模塊化的編程思想，可以方便地根據不同模塊的功能進行獨立調試，降低了編程的總體難度[5-6]。此外，STEP7軟件還可以提供簡單語法檢查、程序加密等功能。

3.1 編程軟件介紹

STEP7軟件是西門子公司專門為S-7系列的PLC提供的編程軟件，包含三種編程方式：語句表、梯形圖、功能塊圖。其中，梯形圖對編程人員的要求較高，需要有豐富的編程經驗，但是，相比梯形圖、功能塊圖可以實現更多的功能[7]；梯形圖的原始理論基礎是電氣結構圖，形象、直觀地展示程序思想；功能塊圖是基于數字電路結構的編程語言。

3.2 軟件實現流程

基于PLC的煤礦帶式輸送機控制系統的軟件流程見圖6，系統工作后，首先選擇輸送帶工作方式，在自動啟停的工作模式下，現場采集信號傳輸給現場PLC控制箱，輸送帶的運行方式由PLC控制，值班人員工作任務主要是監視PLC系統的工作情況；在手動啟停的工作模式下，現場檢測信號不通過PLC控制箱，現場控制繼電器完全由值班人員控制。

圖6 軟件流程

4 結語

通過分析帶式輸送機運輸系統常見故障，設計煤礦帶式輸送機集控系統，包括主控制器選型、系統的故障檢測電路等，實現故障檢測與控制功能。在完成相關電路調試后，本監控系統可用于煤礦現場生產中，通過對現場工作情況的分析，進一步優化系統、提升性能。