礦用皮帶機電氣控制系統的設計研究

張志輝

（山西潞安集團潞寧煤業公司， 山西 忻州 036000）

1 皮帶機電氣控制系統工作原理的介紹

皮帶機的全稱為帶式輸送機（以下簡稱皮帶機），不僅具有可靠性高、運輸平穩、結構簡單、修護方便等優勢，而且結構形式多種多樣，被廣泛應用于制造業，尤其適合礦井下連續作業的工況，不僅可以實現供料初始點至卸料最終點的連續性運輸作業，而且運輸的物料與皮帶之間無相對運動，有效地避免了物料出現破損的情況。為了有效地提高礦井下運輸作業效率，并保障皮帶機安全可靠地工作，須根據皮帶機實際工況對電氣控制系統進行特殊設計，以確保滿足運輸需求。

礦用皮帶機電氣控制系統是一套故障警報控制裝置系統，能夠對皮帶機進行自動控制和智能故障警報。本文中的皮帶機電氣控制采用PLC 控制系統，其結構為主從式結構，主站為觸摸屏的上位機和主PLC 控制，從站為傳感器保護裝置和從PLC 控制，從PLC 控制可至多分32 個PLC 控制，從1 號PLC 控制可分到32 號PLC 控制[1-2]。在本系統中，主站PLC 控制臺可對皮帶機進行實時監控和控制，主站和從站之間的通訊具有自動控制和保護的作用，從站上采集的數據將會發送至主站的PLC 控制，主站中的觸摸屏上顯示參數和故障，當礦用皮帶機出現故障時，該故障則會及時地反應到主站觸摸屏上[3-4]，整套系統的電氣控制原理圖如圖1 所示。

2 皮帶機電氣控制系統的主要功能

皮帶機電氣控制系統可以在滿足基本電氣控制系統的要求下，根據自身實際工況需求進行特殊設計，旨在提高生產效率以及確保皮帶機可靠、穩定、安全地工作。皮帶機電氣控制系統的功能實現，需要硬件和軟件的共同實現，一個控制系統不僅要滿足基本的電氣控制，還要具備自身特點。本文中的系統主要分為主站和從站，均采用PLC 控制器進行控制，可以實現自動控制主站和從站之間的通訊，由從站采集數據傳輸給主站，經中央處理器（CPU）處理后，在主站和從站的觸摸屏上顯示故障信息和指示燈[5-6]。通過觸摸屏的人機界面，電氣系統可實時顯示皮帶機的速度、環境溫度、傳動軸工作溫度等參數，并根據這些參數來判斷皮帶機的工作狀況，實現自動控制。

本文的電氣控制系統主要有以下功能：實時顯示：控制系統的觸摸屏人機界面可以實時顯示皮帶輪速度、打滑、傳動軸工作溫度、煙霧等參數及故障信號，當皮帶機出現故障時，系統會自動播報相應的故障語音，起到警報、提示作用；故障保護：皮帶機設備出現故障時，系統可自動控制皮帶機緊急停機，避免出現更多的故障，比如當皮帶機出現打滑、超速等故障問題，系統可自動控制皮帶機電機進行停止轉動；多種控制方式：系統包含自動控制、手動控制、集中控制、設備檢修、閉鎖等多種控制方式，系統不同的控制方式可應對不同的工作狀況，滿足不同的工況使用要求，比如對于電機須遵循啟動與停止控制，在有故障出現的情況下也不會出現堆煤現象。

圖1 礦用皮帶機電氣控制系統結構原理

3 皮帶機電氣控制系統功能的實現

皮帶機電氣控制系統主要是通過PLC 控制器實現自動控制，PLC 是系統的核心部件，它是一種專為工業環境應用而設計的數字運算操作系統，是目前工業現場控制的專用部件，可以根據工況需求進行特殊性編程設計，實現功能需求[7]。皮帶機電氣控制系統的PLC 主要組成部件有CPU、編程器、存儲器、電源等，其結構圖如圖2 所示。

圖2 PLC 結構圖

皮帶機電氣控制系統主要是通過PLC 實現系統功能，PLC 通過自身內部的電路系統采集外部信號數據，再經CPU 處理，CPU 根據內置程序控制執行元件執行的相應動作，如皮帶機電機、指示燈等。此外，PCL 采用循環掃面的方式進行工作，對編寫的程序梯形圖的讀寫是從左到右和從上到下的順序執行的，各個模塊按照內置程序執行相應動作，系統工作流程圖如圖3 所示。

圖3 工作流程圖

皮帶機電氣控制系統主要有主站功能、從站功能、語音報警功能以及故障精準定位功能。

3.1 主站功能實現

通過PLC 的基本模塊（電源通訊模塊、CPU），可完成皮帶機電氣控制系統主站功能的實現，首先確定基本模塊——電源通訊模塊和CPU，再選取晶體管輸出模塊和開關量直流輸入模塊，配置相應的指示燈和按鍵，其余模塊可根據工作要求進行額外增加，最后給每個硬件分配合理的IO 口，并進行編程，即可實現皮帶機電氣控制系統的主站功能。

3.2 從站功能的實現

按照主站功能系統，通過PLC 的基本模塊（電源通訊模塊、CPU），可完成皮帶機電氣控制系統從站功能的實現，首先確定基本模塊——電源通訊模塊和CPU，再選取晶體管輸出模塊、開關量直流輸入模塊、電壓模擬量輸入、語音輸出模塊，配置相應的指示燈和按鍵，其余模塊可根據工作要求進行額外增加，最后給每個硬件分配合理的IO 口，并進行編程，即可實現皮帶機電氣控制系統的從站功能。

3.3 觸摸屏動畫顯示功能的實現

皮帶機電氣控制系統通過從站采集數據，傳送給主站，通過CPU控制、編譯控制程序，分配IO 口，在觸摸屏上顯示系統信息，實現觸摸屏動畫顯示功能。

觸摸屏界面主要有四部分：主頁，包含觸摸屏中的所有按鍵和顯示內容；手動操作界面，切換操作界面，可單獨手動控制皮帶機的啟動和停止；參數設置；警報界面。

3.4 語言報警功能的實現

語音報警功能是在工作環境中的從站運行時用作報警提示用途。皮帶機電氣控制系統選取3V0V語言模塊，將SP 和PG 連接到揚聲器，可實現32 段語音的輸出，每段語音最長可達42 s。

3.5 故障精準定位功能的實現

皮帶機電氣控制系統在主站的觸摸屏可顯示故障位置，通過主站和從站之間的正常通訊，將從站傳感器上采集的數據傳給主站，主站處理后顯示在觸摸屏上。然后，在主站中要準確讀取從站保存的數據并進行分析，再通過主站的準確定位程序進行故障定位才能準確定位，最終顯示在觸摸屏上。

4 實際應用效果

為驗證皮帶機電機控制系統的綜合性能，將其在某煤礦中的皮帶機上進行了為期6 個月的應用測試，主要將該系統嵌入至皮帶機中，觀察并記錄該控制系統與皮帶機的控制性能。應用結果表明：與原有的皮帶機控制系統相比，該控制系統能更加全面、有效地實現對皮帶機的控制，且控制精度更高，信號響應速度更快；當皮帶機發送異常故障時，該系統也能及時發出相應的報警提示。據現場人員估算，該控制系統能使皮帶機的故障發生率降低35%，故障檢修時間縮短40%，在單臺皮帶機上，一年能為企業節約將近3 萬元的相關費用支出，所帶來的效益相當明顯。由此，驗證了該系統的可行性。