基于PLC的礦用帶式輸送機控制系統的應用分析

寇振捷

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

引言

礦用帶式輸送機作為煤礦開采運輸中的關鍵設備，經常有大量煤灰聚集、設備超載作業、電機燒壞、設備作業溫度過高等問題，加上當前設備控制系統功能較為單一，系統穩定性相對較弱，已無法滿足當前井下高強度煤礦輸送控制的作業需求。因此將更加先進的控制技術應用到該設備中，實現輸送機控制性能及作業效率的提升研究，已成為當前設備優化改進的重要方向[1-2]。

1 帶式輸送機結構分析

帶式輸送機作為井下煤礦開采中的重要設備，其結構主要包括皮帶、導向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機等組成，所開采的煤炭通過刮板輸送機將其輸送至皮帶上，在電機的動力帶動作用下，帶動皮帶向前移動，以實現將煤礦運輸至礦井外面[3]。

當前，煤礦中的帶式輸送機主要采用滾筒式結構，其控制系統一般采用傳統的繼電器或單片機進行簡單的作業操作和控制，在運行過程中存在控制功能單一、性能穩定性較差等問題[4]；同時，當前控制系統只能基本實現對設備運行狀態、作業溫度等現場檢測和控制，無法通過遠程方式對其進行控制，控制邏輯及故障報警功能等也基本未設計。由于井下環境的惡劣加上井下信號的干擾，導致所傳輸的設備信號受到較為嚴重的干擾，穩定性較差[5]。因此，將當前成熟的自動化遠程控制技術應用到帶式輸送機的控制中，成為當前發展的重點。

2 控制系統總體設計

根據帶式輸送機的結構特點及控制系統存在問題，開展了控制系統的升級設計研究。所設計的控制系統包括了控制主站和8個分站，其中，主站包括了操作臺、上機位、顯示界面、PLC控制器、觸摸屏、執行元件、分站控制臺等組成，主要負責對整個系統接收的數據進行分析、計算和邏輯判斷，而PLC控制器則選用了西門子的S7-300型，能有效保證整個井下作業的控制需求；系統分站則主要負責對皮帶、電機等進行速度、溫度、電機發熱等信號的數據采集、信號傳輸以及就地控制，屬于系統的終端部分，主站與分站之間主要通過RS485通訊接口進行信號傳輸，通訊技術則充分利用了PROFIBUS-DP現場總線技術，實現整個控制系統的通訊搭建[6]。在系統的底端，配備了速度傳感器、溫度傳感器、托輥磨損檢測儀、電機振動傳感器、功率檢測儀等儀器，以實現對設備作業狀態參數的實時檢測。

3 控制系統關鍵部分設計

3.1 PLC控制器的選型設計

根據帶式輸送機控制系統運行特點，選用了西門子的S7-300型PLC控制器進行系統控制。該控制器主要包括了CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、I/O模塊等組成，系統內部信號主要通過RS485進行通訊連接。通過該控制器能將檢測單元所采集的帶式輸送機的運行速度信號、電機啟停信號、電磁閥開關信號、皮帶輸送信號等進行實時數據收集，并將采集的電信號轉換為數字信號，通過內部的專門控制算法，對數據信號進行分析、判斷及處理，經過處理后的信號傳輸至上機位顯示界面進行控制信息的實時顯示及對帶式輸送機的遠程控制。另外，該控制器采用了DC24V和DC12V電源進行內部供電控制。S7-300型PLC控制器如下頁圖1所示。

圖1 S7-300型PLC控制器

3.2 輸出模塊設計

在整個控制系統中，設計了一套專門的輸出模塊，以實現控制命令的信號輸出。此輸出模塊采用了QY10型輸出模塊，信號輸出點包括了閘電機的開停、電磁閥、故障報警等、井上/下集控、指示燈等端口，并預留了7個備用點。在該模塊中，利用了1KA-5KA中間繼電器來實現灑水電磁閥的常開接點控制。同時，利用SB10啟動按鈕和3 kA中間繼電器來解決模塊無法實時啟動的問題，有效保證了模塊的運行可靠性。另外，帶式輸送機的啟動則是通過3 kA常開接點的閉合，通過線纜方式將D3和D4點接入到軟啟動器中，以此保證帶式輸送機能正常啟動。為提高模塊的可靠性，也設計了SB4按鈕來實現手動啟動操作。控制系統輸出模塊電路圖如圖2所示。

圖2 系統輸出模塊電路圖

3.3 控制界面設計

根據帶式輸送機的現場作業情況，對整個控制系統的控制界面進行了設計。該界面包括了狀態顯示功能、不同區域帶式輸送機位置、啟停控制按鈕等功能，能通過控制主界面對帶式輸送機的啟停、作業溫度、傳動速度、運行情況及出現的故障狀態進行實時顯示；同時，通過該界面能實現對設備停機、電磁閥啟停、電機啟停轉動等方面進行遠程控制，由此全面實現對帶式輸送機運行狀態的全面監控和控制，控制系統控制界面如圖3所示。

圖3 控制系統控制界面圖

3.4 系統順序啟動程序設計

帶式輸送機的啟停需要安裝相應的控制邏輯順序進行控制，故需利用西門子PLC中的step7軟件對系統順序啟停進行梯形圖邏輯程序設計。在該程序中，包括了內部觸發繼電器M1、時間繼電器T1、定時器T4、啟停按鈕X45等組成，通過內部的Y72輸出信號，能快速接通3KA繼電器電路，繼電器得電后，常開節點閉合，軟啟動器在接收啟動信號后，能向控制系統的主電路、電機等發出啟動信號，使其處于啟動狀態。系統順序啟動部分梯形程序圖如圖4所示。

圖4 系統順序啟動部分梯形程序圖

4 應用效果評價

在完成控制系統的總體設計后，為進一步驗證該系統的可靠性及穩定性。在系統運行過程中，主要將該系統集成在某煤礦中DTIIA型帶式輸送機上進行應用測試，測試周期為6個月。在測試過程中，該控制系統運行良好，與同類型的原有設備相比，作業穩定性更高，設備運行時的井下瓦斯濃度、溫度、速度、設備啟停狀態、電機運行情況等也能通過控制主界面和分界面進行實時顯示，當設備作業溫度或其他參數發生異常變化時，該系統也能及時發出相應的報警提示，通過聲光報警形式進行顯示，同時根據故障的嚴重程度自主判斷后來自動切斷主控電源，所產生的故障類型及故障發生位置也通過顯示界面進行了顯示。整個控制過程，只需人員在監控室對設備進行監控和操作，人員無需進入井下現場，人員根據故障位置進行快速檢修，大大提高了故障排除效率，提高了設備的自動化遠程控制水平，整體運行情況達到了預期效果。