礦用皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張志輝

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司， 山西 忻州 036000）

1 皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)工作原理的介紹

皮帶機(jī)的全稱(chēng)為帶式輸送機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)皮帶機(jī)），不僅具有可靠性高、運(yùn)輸平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、修護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，而且結(jié)構(gòu)形式多種多樣，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，尤其適合礦井下連續(xù)作業(yè)的工況，不僅可以實(shí)現(xiàn)供料初始點(diǎn)至卸料最終點(diǎn)的連續(xù)性運(yùn)輸作業(yè)，而且運(yùn)輸?shù)奈锪吓c皮帶之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有效地避免了物料出現(xiàn)破損的情況。為了有效地提高礦井下運(yùn)輸作業(yè)效率，并保障皮帶機(jī)安全可靠地工作，須根據(jù)皮帶機(jī)實(shí)際工況對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以確保滿足運(yùn)輸需求。

礦用皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)是一套故障警報(bào)控制裝置系統(tǒng)，能夠?qū)ζC(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制和智能故障警報(bào)。本文中的皮帶機(jī)電氣控制采用PLC 控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為主從式結(jié)構(gòu)，主站為觸摸屏的上位機(jī)和主PLC 控制，從站為傳感器保護(hù)裝置和從PLC 控制，從PLC 控制可至多分32 個(gè)PLC 控制，從1 號(hào)PLC 控制可分到32 號(hào)PLC 控制[1-2]。在本系統(tǒng)中，主站PLC 控制臺(tái)可對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，主站和從站之間的通訊具有自動(dòng)控制和保護(hù)的作用，從站上采集的數(shù)據(jù)將會(huì)發(fā)送至主站的PLC 控制，主站中的觸摸屏上顯示參數(shù)和故障，當(dāng)?shù)V用皮帶機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，該故障則會(huì)及時(shí)地反應(yīng)到主站觸摸屏上[3-4]，整套系統(tǒng)的電氣控制原理圖如圖1 所示。

2 皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的主要功能

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)可以在滿足基本電氣控制系統(tǒng)的要求下，根據(jù)自身實(shí)際工況需求進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，旨在提高生產(chǎn)效率以及確保皮帶機(jī)可靠、穩(wěn)定、安全地工作。皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，需要硬件和軟件的共同實(shí)現(xiàn)，一個(gè)控制系統(tǒng)不僅要滿足基本的電氣控制，還要具備自身特點(diǎn)。本文中的系統(tǒng)主要分為主站和從站，均采用PLC 控制器進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制主站和從站之間的通訊，由從站采集數(shù)據(jù)傳輸給主站，經(jīng)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(guò)觸摸屏的人機(jī)界面，電氣系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示皮帶機(jī)的速度、環(huán)境溫度、傳動(dòng)軸工作溫度等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)來(lái)判斷皮帶機(jī)的工作狀況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

本文的電氣控制系統(tǒng)主要有以下功能：實(shí)時(shí)顯示：控制系統(tǒng)的觸摸屏人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示皮帶輪速度、打滑、傳動(dòng)軸工作溫度、煙霧等參數(shù)及故障信號(hào)，當(dāng)皮帶機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)播報(bào)相應(yīng)的故障語(yǔ)音，起到警報(bào)、提示作用；故障保護(hù)：皮帶機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)控制皮帶機(jī)緊急停機(jī)，避免出現(xiàn)更多的故障，比如當(dāng)皮帶機(jī)出現(xiàn)打滑、超速等故障問(wèn)題，系統(tǒng)可自動(dòng)控制皮帶機(jī)電機(jī)進(jìn)行停止轉(zhuǎn)動(dòng)；多種控制方式：系統(tǒng)包含自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、集中控制、設(shè)備檢修、閉鎖等多種控制方式，系統(tǒng)不同的控制方式可應(yīng)對(duì)不同的工作狀況，滿足不同的工況使用要求，比如對(duì)于電機(jī)須遵循啟動(dòng)與停止控制，在有故障出現(xiàn)的情況下也不會(huì)出現(xiàn)堆煤現(xiàn)象。

圖1 礦用皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

3 皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要是通過(guò)PLC 控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，PLC 是系統(tǒng)的核心部件，它是一種專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，是目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的專(zhuān)用部件，可以根據(jù)工況需求進(jìn)行特殊性編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能需求[7]。皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的PLC 主要組成部件有CPU、編程器、存儲(chǔ)器、電源等，其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 PLC 結(jié)構(gòu)圖

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要是通過(guò)PLC 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，PLC 通過(guò)自身內(nèi)部的電路系統(tǒng)采集外部信號(hào)數(shù)據(jù)，再經(jīng)CPU 處理，CPU 根據(jù)內(nèi)置程序控制執(zhí)行元件執(zhí)行的相應(yīng)動(dòng)作，如皮帶機(jī)電機(jī)、指示燈等。此外，PCL 采用循環(huán)掃面的方式進(jìn)行工作，對(duì)編寫(xiě)的程序梯形圖的讀寫(xiě)是從左到右和從上到下的順序執(zhí)行的，各個(gè)模塊按照內(nèi)置程序執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，系統(tǒng)工作流程圖如圖3 所示。

圖3 工作流程圖

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要有主站功能、從站功能、語(yǔ)音報(bào)警功能以及故障精準(zhǔn)定位功能。

3.1 主站功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)PLC 的基本模塊（電源通訊模塊、CPU），可完成皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)主站功能的實(shí)現(xiàn)，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(kāi)關(guān)量直流輸入模塊，配置相應(yīng)的指示燈和按鍵，其余模塊可根據(jù)工作要求進(jìn)行額外增加，最后給每個(gè)硬件分配合理的IO 口，并進(jìn)行編程，即可實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的主站功能。

3.2 從站功能的實(shí)現(xiàn)

按照主站功能系統(tǒng)，通過(guò)PLC 的基本模塊（電源通訊模塊、CPU），可完成皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)從站功能的實(shí)現(xiàn)，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(kāi)關(guān)量直流輸入模塊、電壓模擬量輸入、語(yǔ)音輸出模塊，配置相應(yīng)的指示燈和按鍵，其余模塊可根據(jù)工作要求進(jìn)行額外增加，最后給每個(gè)硬件分配合理的IO 口，并進(jìn)行編程，即可實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的從站功能。

3.3 觸摸屏動(dòng)畫(huà)顯示功能的實(shí)現(xiàn)

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)通過(guò)從站采集數(shù)據(jù)，傳送給主站，通過(guò)CPU控制、編譯控制程序，分配IO 口，在觸摸屏上顯示系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)觸摸屏動(dòng)畫(huà)顯示功能。

觸摸屏界面主要有四部分：主頁(yè)，包含觸摸屏中的所有按鍵和顯示內(nèi)容；手動(dòng)操作界面，切換操作界面，可單獨(dú)手動(dòng)控制皮帶機(jī)的啟動(dòng)和停止；參數(shù)設(shè)置；警報(bào)界面。

3.4 語(yǔ)言報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)音報(bào)警功能是在工作環(huán)境中的從站運(yùn)行時(shí)用作報(bào)警提示用途。皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)選取3V0V語(yǔ)言模塊，將SP 和PG 連接到揚(yáng)聲器，可實(shí)現(xiàn)32 段語(yǔ)音的輸出，每段語(yǔ)音最長(zhǎng)可達(dá)42 s。

3.5 故障精準(zhǔn)定位功能的實(shí)現(xiàn)

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

4 實(shí)際應(yīng)用效果

為驗(yàn)證皮帶機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能，將其在某煤礦中的皮帶機(jī)上進(jìn)行了為期6 個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試，主要將該系統(tǒng)嵌入至皮帶機(jī)中，觀察并記錄該控制系統(tǒng)與皮帶機(jī)的控制性能。應(yīng)用結(jié)果表明：與原有的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)能更加全面、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)的控制，且控制精度更高，信號(hào)響應(yīng)速度更快；當(dāng)皮帶機(jī)發(fā)送異常故障時(shí)，該系統(tǒng)也能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員估算，該控制系統(tǒng)能使皮帶機(jī)的故障發(fā)生率降低35%，故障檢修時(shí)間縮短40%，在單臺(tái)皮帶機(jī)上，一年能為企業(yè)節(jié)約將近3 萬(wàn)元的相關(guān)費(fèi)用支出，所帶來(lái)的效益相當(dāng)明顯。由此，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。