基于PLC控制系統的皮帶運輸機故障報警設計

（西山煤電（集團）有限責任公司 山西 030053）

1.PLC概述

PLC基本組成部分大致相同，主要由主機、I/O接口及外圍設備三部分構成，其中PLC主機包括CPU、I/O接口、I/O擴展接口、通信接口、外圍設備接口、存儲器及電源七部分。CPU也稱中央處理器，由控制器和微處理器組成，微處理器主要起到配合時序交換信息功能的作用，控制器主要起到將現場檢測采集數據進行編譯解釋為指令并讀取和執行指令的作用；存儲器主要起到存儲系統程序、用戶數據、運行過程數據的作用，相較于隨機存取器的斷電丟失情況，煤礦PLC控制系統中常使用保持型存儲器來長時間存儲用戶程序；I/O接口主要起到將現場裝置與PLC進行電平轉換的作用，包括輸入接口和輸出接口。I/O拓展接口利用扁平電纜與主機單元連接以增加I/O端子數到用戶所需數目；通信接口主要起到與監視器等設備的連接通信作用；外圍設備接口主要起到與編程器、彩色圖像顯示器、傳感器等設備的連接作用；電源主要起到在整合、濾波和穩壓處理過程后輸出符合工作需求的交、直流電壓的作用。

PLC是一種周期串行循環掃描的系統，其工作周期分為內部處理、通信處理、輸入采樣、程序執行和輸出刷新五個階段。當PLC運行開始，在內部處理階段自診斷主機與模塊狀態并清除I/O接口緩存內容，將PLC與外部設備進行通訊連接并在通信處理階段檢測上位PLC的通信請求且掃描，在后續階段將通信信號轉換為外部執行信號并在連接的外部設備中顯示出來。

2.皮帶運輸機故障類型

（1）皮帶打滑。皮帶運輸機的工作原理是依靠主動滾輪與皮帶之間的摩擦力來傳輸物料的，皮帶打滑這一故障形式表現為滾輪與皮帶無法實現同步轉動，主要體現形式為皮帶配重過輕；皮帶負載過重；皮帶的張緊裝置卡住；主動滾筒防滑膠嚴重磨損或主動滾筒表面潮濕，皮帶打滑能夠增加皮帶與滾筒之間的摩擦力，降低皮帶傳輸的速度，使得皮帶表面溫度急劇升高，嚴重情況下導致礦井火災、爆炸、物料灑落等重大事故。皮帶打滑故障可歸結于張緊裝置的故障，采用重錘張緊的皮帶傳輸系統可以通過增加皮帶配重來降低皮帶打滑的風險，采用液壓張緊和螺旋張緊的皮帶傳輸系統可以通過調整張緊行程來降低皮帶打滑的風險。

（2）皮帶跑偏。皮帶運輸機正常運輸狀態是以中軸對稱U形皮帶覆于底部支架滾軸上載重運行的，皮帶跑偏這一故障形式表現為離心力作用下的皮帶中軸偏離皮帶運輸機中線偏向一側的情況，常出現于安裝和運輸過程中，安裝過程中的皮帶跑偏常由于機架與地面安裝角度不垂直及皮帶滾輪兩側橡膠安裝不均導致，運輸過程中的皮帶跑偏常由于以煤塊掉落不均為主的物料分布不均、以煤塊重量較大掉落產生的振動、皮帶張力松弛及煤塊濕度過高導致的滾筒和托輥粘著物料導致。

（3）皮帶撕裂。皮帶撕裂這一故障形式表現為橫向撕裂和縱向撕裂兩種，多發于滾軸處和皮帶接口處。皮帶跑偏撕裂是由于皮帶偏移量較大形成皮帶折疊導致受力不均造成的；皮帶抽芯撕裂是由于落料產生的外力沖擊導致的皮帶中鋼性繩斷裂并裸露最終卡在機架和托輥或纏繞在滾筒導致的；皮帶卡壓堵塞撕裂是由于物料連續接觸擠壓刮傷導致的；皮帶異物劃傷是由于落料中尖銳硬物導致的壓力性和穿透性劃傷；皮帶老化和超負荷長期運轉也可能造成皮帶撕裂的狀況發生。針對皮帶撕裂這種故障要及時更換破損皮帶來降低皮帶撕裂的風險。

（4）皮帶堆煤。皮帶堆煤這一故障形式表現為混有雜質的物料的堆積，多發于轉載口和機頭機尾處。皮帶堆煤產生的主要原因包括皮帶運輸機突然停機后的慣性導致物料堆積、煤礦中雜質過大使通路堵塞導致雜質堆積、皮帶運輸機啟動模式存在問題導致機頭位置物料堆積。皮帶堆煤故障會造成電動機負載急劇增大、皮帶打滑、滾輪空轉等事故的發生，嚴重時可導致皮帶斷裂、電機燒毀引起火災的事故發生。針對皮帶堆煤這種故障要及時對堆煤位置進行處理來降低連帶事故發生的概率。

（5）皮帶火災事故。礦井火災的發生主要是點火源、助燃物和可燃物三種因素的有機結合，其中助燃物為礦井下方空氣，可燃物為煤礦開采過程中產生的甲烷、煤塵顆粒物等混合氣體，點火源為高溫或電火花，三者的混合反應會造成礦井下的瓦斯爆炸。高溫或電火花主要是由于皮帶打滑、皮帶堆煤、皮帶老化等情況導致的摩擦力增高產生的熱量急速聚集而無法得到散熱釋放而形成的，在達到一定的溫度值時，高溫或電火花點燃含有甲烷、煤塵顆粒物等混合氣體產生瓦斯爆炸。針對皮帶火災事故要在系統中安裝溫度傳感器和煙霧傳感器及時發現火災隱患并加以處置來降低皮帶火災事故發生的概率。

3.PLC故障報警系統設計

(1)皮帶運輸機控制系統硬件電路

本文所研究的皮帶傳輸故障報警系統由包括兩臺三相異步電機、兩條皮帶、兩部皮帶支架、傳感器、PLC接線箱、傳感器組成，皮帶運輸故障報警系統整體結構圖如圖1所示，上下皮帶支架高度分別為1.5m和1.2m，長度均為2m，皮帶底部與支架由螺栓進行連接以便于高度的隨時調整以達到皮帶兩側水平放置的目的。兩臺三相異步發動機均選用山西防爆電機集團有限公司生產的礦用隔爆型Y160M2-2發電機，其額定功率15kW，額定轉速2930rpm，兩條皮帶采用型號為PVG2000的帶速4m/s且運輸能力為2000t/h的皮帶。兩臺三相異步電動機通過線路連接到三相電源中，該電路中包括啟動開關QF、停車開關RJ和繼電器KM，開關均采用型號為KBW的礦用隔爆開關，電機的接通線路設計如圖2所示。

圖1 皮帶運輸故障報警系統整體結構圖

圖2 PLC故障識別流程圖

傳感器的選擇遵循整體系統精度要求所需并考慮經濟實惠的要求。監測打滑故障信號的傳感器采用型號為GBH3.6D的速度傳感器，當系統監測到運行速度超過閥值或出現短時間速度變化差值較大的情況，進行報警。監測斷帶故障信號的傳感器采用型號為YHZL-PY-20T的礦用張力傳感器，當系統監測到鋼絲繩拉力突然變化導致張力傳感器內阻變化產生微小電流的情況，進行報警。監測跑偏故障信號的傳感器采用型號為KGE28的礦用跑偏傳感器，當系統監測到皮帶跑偏聯動的探桿角度偏移超出閥值的情況，進行報警。監測撕裂故障信號的傳感器采用型號為SL-∏的礦用撕裂傳感器，當系統監測到異物刺穿皮帶造成撕裂的情況進行判斷辨識，進行報警。監測火災故障信號的傳感器采用型號為IRTP300L的紅外線溫度傳感器和型號為GQL0.1-Y的煙霧傳感器，當系統監測到皮帶過熱或皮帶由于打滑、堆煤冒煙的情況，進行報警。地面機電監控系統作為上位機安裝型號為研華ARK-3390的嵌入式工控機，以達到實時監控皮帶運轉狀況的目的。

(2)皮帶運輸機控制系統軟件設計

PLC運輸控制故障報警系統的設計需要達到能夠響應人機交互指令，提供實時參數與狀態并根據狀態進行控制和故障處理的要求。本文涉及的軟件設計包括I/O地址分配及主程序和故障程序的設計，軟件程序的編寫使用西門子PLC S7-200編程軟件STEP7。其中I/O地址具體分配包括：AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、DI（數字量輸入）和DO（數字量輸出）。本文將I0.0-I0.6設置為電機啟動和停止端口，將I1.1-I1.4、M10.2、M10.3設置為皮帶跑偏信號端口，將I1.5、I2.0、M10.4、M10.5S設置為皮帶撕裂故障信號端口，將I2.1、I2.2、M10.6、M10.7設置為皮帶堆煤信號端口，將I2.3、M11.0設置為煙霧故障信號端口，將I2.4、M11.1設置為溫度故障信號端口。

PLC主程序主要能夠實現全線啟動停止功能、分線路自動啟動停止功能和手動啟動和停止功能。其程序設置為按下啟動按鈕，蜂鳴器啟動并發生鳴叫，皮帶連續進行啟動；按下停止按鈕，按照從1號皮帶機開始的順序已經進行停止操作。故障程序的設計體現在將傳感器檢測到的故障信號送達至PLC，并由內部邏輯電路控制故障指示燈變亮、聲光報警、上位機主畫面故障指示燈變紅，皮帶隨機停止運行，在遇到緊急情況下可通過拉線開關直接停止皮帶傳輸機的運轉。在操作人員對故障進行排除后，按下復位按鈕對程序進行重新啟動，形成完善的排障閉環管理。

4.結論

本文所研究的皮帶傳輸系統由包括兩臺三相異步電機、兩條皮帶、兩部皮帶支架、7個傳感器、PLC接線箱組成，在系統運行過程中，當傳感器感知到皮帶打滑、過熱、堆煤、斷裂的故障情況發生時，將感知到的故障信號傳輸到PLC系統中，通過預先設置的PLC功能進行停機保護并在上位機處顯示故障類型以滿足保護系統，降低風險的目的。