煤礦帶式輸送機運行安全控制系統設計及應用分析

趙春茂

（山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

帶式輸送機是煤礦生產中重要的輸送裝備，作用是將開采獲得的煤礦資源輸送到指定位置。隨著煤礦生產領域技術水平的不斷提升，對帶式輸送機的要求越來越高。輸送機運行過程中如果出現故障問題，不僅會制約設備自身的使用壽命，還會對煤礦生產過程造成不良影響，制約生產效率的提升。監控系統是帶式輸送機可靠穩定運行的重要保障，對其系統要求日益提升，特別是對于長距離輸送的帶式輸送機，必須確保監控系統運行的可靠性。本文以某煤礦中使用的長距離帶式輸送機為研究對象，結合實際情況設計了監控系統，效果顯著。

1 某礦帶式輸送機概況

不管是何種型號的帶式輸送機，其整體結構基本類似，主要作用原理基本相同，如圖1 所示為典型的帶式輸送機主要結構示意圖。帶式輸送機工作時由電機輸出的動力經減速器后輸入到驅動滾筒中，通過摩擦力驅動皮帶運動，皮帶在驅動滾筒和換向滾筒的作用下實現封閉循環運轉。兩個滾筒中間的位置設置有多個托軸，作用是托住皮帶上的煤礦物料。張緊裝置的作用是確保皮帶始終處于繃緊狀態，使其與滾筒之間具有足夠的摩擦力，若張緊力不夠會出現打滑現象，使設備無法正常運行。

圖1 帶式輸送機主要結構示意圖

某煤礦中使用三條輸送帶實現煤礦物料的長距離運輸，三條輸送帶的輸送長度分別為100 m、200 m和100 m 左右，對應的輸送帶型號分別為EP200X4、ET2000 和EP200X4。現需要設計安全控制系統對三臺帶式輸送機的運行狀態進行實時監測，為設備的穩定可靠運行奠定堅實的基礎。

2 安全控制系統的整體結構設計

2.1 監控點布設

結合實際情況，為了確保長距離運輸帶式輸送機的穩定和可靠運行，需要利用專業傳感器開展大量的監測工作。可以將監測點劃分成為三大類，分別為環境監測點、保護監測點和設備監測點。環境監測點主要是對輸送機運行環境的煙霧和溫度進行檢測，防止環境出現火災等安全事故；保護監測點主要是對帶式輸送機運行中常見的跑偏、打滑、皮帶撕裂、斷帶、堆料等問題進行檢測，確保煤礦輸送過程的穩定性；設備監測點主要是對帶式輸送機自身的硬件設施，比如電機、變頻器、滾筒等進行檢測，保證設備的可靠運行。

2.2 網絡結構設計

如下頁圖2 所示為長距離運輸帶式輸送機安全控制系統的主要網絡拓撲結構。監控系統主要由三大部分構成，即采樣分站、控制總站、監控界面。由于本系統需要對三條帶式輸送機同時進行監測，因此設置了三個采樣分站分別對三條線的運行狀態進行檢測，分站主要硬件設施為西門子公司的ET-200SP 模塊，采樣分站與控制總站之間基于Profinet 協議實現監測數據信息的交互，且使用的是分布式I/O 接口，所有監測數據傳入到控制總站中的PLC 控制器進行分析與處理。監控總站與上位機之間同樣基于Profinet 協議通信協議實現數據信息交互，但采用的是集成式接口。每條輸送線上均設置有急停按鈕，一旦檢測發現存在故障問題，工作人員可通過該按鈕控制設備停止運行。

圖2 安全控制系統的主要網絡拓撲結構

3 監控系統主要硬件和軟件程序設計

3.1 主要硬件選型設計

3.1.1 PLC 控制器

PLC 控制器作為安全控制系統中的核心部件，其性能好壞會對系統運行的穩定性產生重要影響。在充分分析不同類型控制器并結合現場情況的基礎上，選用的是西門子公司研制生產的S7-1200 型PLC 控制器。該控制器具有體積小、工藝集成、安裝方便等眾多優勢。如圖3 所示為S7-1200 型PLC 控制器的結構示意圖。可以看出，PLC 控制器基本單元主要包括電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、拓展模塊以及微處理器CPU。其中，CPU 模塊的型號為CPU 1215C，工作存儲器大小為128 kB，能滿足系統的實際工作需要。電源模塊型號為PM1207，可以將110 V/220 V 市電交流電壓轉換成為24 V 直流電壓供控制器使用。控制器具備有豐富的I/O 接口和拓展模塊，方便與其他硬件設施連接實現數據信息交互。

圖3 S7-1200 型PLC 控制器的結構示意圖

3.1.2 主要傳感器選型

由于安全控制系統涉及很多傳感器，受篇幅限制不一一贅述，以下對系統中使用的主要傳感器選型情況進行介紹：

1）拉繩開關的型號為KBW-220L，在帶式輸送機長距離輸送沿線每間隔70 m 設置一個開關，如果工作人員發現設備存在故障隱患，可以控制拉繩開關讓設備停止運行。

2）跑偏開關型號為KHFKLT1-12-30，作用是對皮帶的跑偏現象進行檢測，每間隔30 m設置一個開關。

3）打滑開關的型號為HSQ-726B2，作用是對皮帶的打滑問題進行檢測，安裝在皮帶的兩側。

4）急停按鈕采用的是KBA 系列開關，采用防靜電外殼鋼結構，作用是一旦出現緊急情況，可利用該開關停止設備運行。

5）皮帶撕裂傳感器型號為BJL-220B，輸送煤礦物料中存在鋒利的礦石時，可能會對皮帶產生劃傷，導致皮帶撕裂，利用該傳感器可以檢測皮帶中存在的撕裂問題。

3.2 PLC 軟件程序設計

利用STEP7 軟件平臺對S7-1200 型PLC 控制器的軟件程序進行編寫。編寫程序時首先需要結合現場實際情況對整個控制方案進行科學合理的設計，再根據控制方案來編寫應用程序。如圖4 所示為安全控制系統PLC 控制器的主程序流程圖。由圖4 可以看出，系統通電運行以后，需要對監控系統進行初始化處理，并且開展自檢工作，一切正常后可以選擇控制模式并正式開車啟動運行。帶式輸送機運行過程中監控系統需要根據監測數據來分析設備是否存在安全隱患或故障問題，如果發現存在故障隱患，則會向外發出聲警報并下達緊急停車指令，確保帶式輸送機運行過程的安全性和可靠性。

圖4 監控系統PLC 控制器主程序流程圖

4 安全控制系統的應用效果

為了驗證設計的長距離運輸帶式輸送機安全控制系統運行的可靠性，將監控系統部署到煤礦工程實踐中，對三臺輸送機的運行情況進行監控，連續進行半年時間的現場測試并記錄數據。現場測試結果發現，安全控制系統整體運行穩定，沒有出現明顯的故障問題，且各項功能都能夠實現，可以對帶式輸送機運行過程中出現的安全故障問題進行報警。監控系統的成功實踐應用提升了設備運行的可靠性，使設備的故障率降低了10%以上，且可以減少巡檢工作人員3～4 名，每年可以為煤礦企業創造的經濟效益在100 萬元以上。

5 結論

以煤礦中使用的長距離輸送帶式輸送機為對象，結合實際情況設計了安全控制系統。監控系統主要由3 個采樣分站、控制總站以及監控界面等部分構成，采樣分站和控制總站的主要硬件設施分別為西門子公司的ET-200SP 模塊和S7-1200 型PLC 控制器。布置的監測點分為三類，分別可以對帶式輸送機運行環境狀態、煤礦輸送狀態以及設備自身運行狀態進行檢測。控制總站與采用分站、監控界面之間均通過Profinet 協議實現數據信息交互。將設計的安全控制系統部署到煤礦工程實踐中，取得了良好的效果，為煤礦企業創造了很好的經濟效益。