礦用皮帶運輸機控制系統設計*

王麗珍，薛小蘭，劉慧玲

(晉中學院 機械系，山西 晉中 030619)

0 引言

皮帶運輸機是以傳送帶作為牽拉和承載部件的連續運輸機械設備，由于其具備傳送物體平穩、結構簡潔、費用低、方便運輸等特點，廣泛應用于露天礦和煤礦井下的物料輸送等場合中[1-3]。傳統的煤礦皮帶運輸機往往依靠繼電接觸控制系統及人工巡查等方法來開展監控工作，導致系統工作效率低、實時性差、存在大量的安全隱患。將PLC技術應用于煤礦皮帶機監控系統中能夠有效地提高監控工作的效率，及時發現皮帶運輸機運行過程中可能出現的問題，避免事故的進一步擴大，同時也能減輕工人的勞動強度、降低勞動風險，并大大降低皮帶運輸機的非正常停機時間，從而保證井下煤炭運輸工作的高效開展[4]。

1 礦用皮帶運輸機系統

針對山西某煤礦四級皮帶運輸系統，設計其順序啟停運行控制、各級皮帶的故障保護控制、故障報警等功能，通過監測儀表對皮帶運輸機的運行狀態、系統參數以及故障信息進行實時監測。當發現某級皮帶故障/異常時，由PLC控制器作出邏輯判斷，對皮帶運輸機進行聲光報警及停機保護，實現對礦用皮帶運輸系統的自動監控。

1.1 礦用皮帶運輸機常見的皮帶故障及其檢測方法

皮帶故障是煤礦皮帶運輸系統在工作過程中引發設備故障的常見因素，可通過選擇相應的傳感器來檢測不同的故障類型，達到及時保護系統并排除故障的目的，從而提高煤礦井下作業的安全性與高效性[5]。

1.1.1 皮帶跑偏故障

在皮帶運輸機工作過程中，皮帶縱向軸線偏離運輸機中心線時會出現皮帶跑偏。該類型故障可選用型號為GEJ40的礦用本安型跑偏傳感器進行檢測，PLC可依據跑偏傳感器的1級跑偏(輕跑偏)信號和2級跑偏(重跑偏)信號對系統分別進行報警處理操作和停車處理操作。

1.1.2 皮帶撕裂故障

皮帶撕裂現象會對皮帶設備及其運輸系統造成較大的損壞，甚至造成人員傷亡等嚴重后果。該類型故障可選用型號為GVY10的撕裂傳感器進行檢測，PLC可依據撕裂傳感器對應開關觸點的動作情況對系統發出控制保護信號，以切斷皮帶運輸機的電源，使系統停運，防止事故擴大。

1.1.3 皮帶打滑故障

皮帶打滑現象會使運輸機滾筒表面溫度驟然升高，從而引起皮帶著火，甚至引發井下煤料、瓦斯的爆炸等嚴重事故。該類型故障可選用型號為GSC200的智能型速度傳感器對皮帶機的從動輪速度進行檢測，當速度傳感器的輸出端輸出低電平時，通過PLC自動切斷皮帶機電源，實現低速保護。

1.1.4 皮帶堆煤故障

皮帶堆煤現象會使皮帶驅動電機負載增加，從而造成運輸機皮帶傳動滾筒出現空轉，引起皮帶打滑、跑偏等故障的發生，降低皮帶運輸系統的穩定性，造成系統停運、驅動電機燒毀、斷帶等后果。該類型故障可選用型號為GUJ30的堆煤傳感器完成檢測，系統如果出現堆煤現象，該傳感器相應的開關觸點就會動作，傳出故障信號，PLC可及時做出停機保護操作。

1.2 礦用皮帶運輸系統控制要求

本文研究的四級皮帶運輸機為DSJ系列可伸縮帶式輸送機，其布置示意圖如圖1所示，皮帶編號分別為PD-1、PD-2、PD-3、PD-4，各級皮帶的運行分別由4臺YBK2系列隔爆型三相異步電動機M1、M2、M3、M4驅動。

圖1 四級皮帶運輸系統示意圖

為了保障四級皮帶運輸系統的安全可靠運行，并實現其智能監控功能，所設計系統應滿足如下控制要求：

(1)初始狀態：所有裝置均處于停止狀態。

(2)啟動操作：當啟動按鈕接通后，各級皮帶驅動電機按M4→M3→M2→M1完成逆序啟動，且各級啟動時間間隔為5 s，以防止皮帶發生故障時上級皮帶出現堆料情況。

(3)停止操作：停止按鈕接通后，各級皮帶驅動電機按M1→M2→M3→M4完成順序停止，且各級停車時間間隔為10 s，以防止各級皮帶停運后出現物料未及時拉出的問題。

(4)安全操作：若某級皮帶發生故障/異常時，此級及其所有上級皮帶全部停止運行，同時給出聲光報警提示；并配有緊急操作裝置，其余級皮帶10 s后順序停止運行。

2 礦用皮帶運輸機控制系統硬件設計

山西某煤礦皮帶運輸系統四級皮帶的運行分別由4臺YBK2系列煤礦井下用隔爆型三相異步電動機M1、M2、M3、M4進行驅動。分析該四級皮帶運輸機系統的控制要求，計算出控制系統所需的數字量輸入點26個、數字量輸出點13個，所選的可編程控制器CPU型號應滿足系統所需輸入/輸出點數并留有一定的擴展裕量。綜合考慮系統所需容量需求等方面因素，PLC選用德國西門子公司S7-200系列的CPU226(24入/16出)，并為其配置一塊EM221 DI8-DC24V數字量輸入模塊。

依據系統的控制要求選擇合適的輸入輸出元件，并完成PLC輸入、輸出點的配置，列出控制系統的I/O分配表，如表1所示。

表1 控制系統輸入/輸出分配表

以四級皮帶運輸系統的工作流程及列出的I/O端子分配表為依據，可設計出控制系統的PLC硬件接線圖，如圖2所示。

圖2 控制系統PLC硬件接線圖

3 礦用皮帶運輸機控制系統程序流程圖設計

根據礦用四級皮帶運輸機運行的控制要求，設計出四級皮帶運輸機控制系統程序流程圖，如圖3所示。

圖3 系統程序流程圖

4 結論

本文完成了對礦用四級皮帶運輸系統的順序運行控制、各級皮帶常見類型故障檢測和故障報警控制的設計。礦用皮帶運輸機系統在引入可編程控制器進行控制后，能夠實現對井下皮帶運輸機運行情況的實時監測，有利于及時對礦用皮帶運輸機故障的排除，極大地提高了皮帶運輸系統的可靠性，解決了傳統皮帶運輸機監控系統中的弊端，在提高煤礦生產效率的同時，也給煤礦工人提供了較好的生命安全保障。