煤礦井下帶式輸送機PLC 集控系統設計研究

田志平

（遼寧煤機裝備制造（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

帶式輸送機是煤礦井下運輸系統中最為核心的設備，其運行效率與性能甚至能在一定程度上決定整個礦井的生產質量與安全穩定性。集控中心作為帶式輸送機的“大腦”，其設計水平是保障帶式輸送機工作質量的關鍵。煤礦生產過程中，需要結合多臺輸送機工作才能保障物料輸送工作的穩定性與效率，但對既有運作系統進行分析后可知，不同系統、區間內帶式輸送機控制系統存在各臺帶式輸送機之間溝通不暢的問題，并且既有的控制系統實際效益較差，導致相關作業人員難以了解物料運輸過程中的各項細節問題，容易造成操作控制失誤，進而導致溢堵等生產事故。為應對以上問題，業內眾多學者都立足于煤礦井下的特殊作業環境與作業需求，提出了不同角度的集控系統設計思路。本次研究在充分借鑒前人智慧的同時積極發揮既有的研究與實踐經驗，提出PLC 集控系統的設計方法，利用可編程序控制器替代傳統繼電器與接電器聯用的模式，秉持著科學選擇硬件、完善軟件以及互不干擾的操作原則，設計安全性和可靠性均符合煤礦井下作業環境與要求的集控系統。

1 煤礦井下帶式輸送機PLC 集控系統基本組成

1.1 基本組成

PLC 集控系統包含地面及井下控制。地面控制子系統由控制軟件和工控機組成，用于遠程操控井下的帶式輸送機；井下控制子系統由變頻調速模塊、PLC 控制箱、數據采集模塊、煤流檢測模塊和操作臺組成[1]。以PLC 組成邏輯控制功能實現，通過改變內部程序，即可滿足不同控制功能實現要求。在延時控制方面，區別于繼電器依賴延時繼電器作業的方式，使用PLC 集控系統內部的時間繼電器，發揮半導體的精準控制作用，防止出現受外圍溫度等要素影響的問題。本設計中整體系統共存在9 部帶式輸送機，通過配置1 套控制體系，電控裝置與通信系統組網，實現皮帶集散控制。共設8 個分站，由保護裝置、分站控制箱、分站控制臺、觸摸屏、主站控制箱和控制臺監測控制輸送機的各機械設備。選用Q 系列的控制器，在PLC 集控系統控制柜內部設有變壓器、接線端子、以太網板塊、輸入輸出板塊、D/A 板塊、電源板塊和PLC 板塊[2]。

集控臺面板處設有手動控制模式、檢修模式、單機就地模式和集控模式開關，啟動開關即可轉換控制模式；設有各部輸送投入/退出按鈕、急停按鈕、停止按鈕、啟動按鈕、發送信號按鈕。顯示屏可清晰顯示系統內輸送機的故障及運行狀態，且發生故障時，顯示屏將明確給出故障位置和類型[3]。

分站控制臺面板設有帶速顯示表、電流、故障指示燈、急停按鈕、輸送機啟停按鈕。單機就地模式下，操作人員可通過控制對應分站控制臺，控制各臺輸送機的啟停。

1.2 功能特點

總體來講，PLC 集控系統具備監控和保護監測兩大功能。監控的對象為張緊裝置、制動閘以及整個帶式輸送機，監控機械設備啟動、速度調節、啟動預警以及控制張緊裝置、制動閘。保護監測的項目為輸送帶是否出現拉線急停、報警、跑偏、撕裂、堆煤、溫度超限、煙霧超限、打滑的情況以及帶速和電機電流的采集。在發生溫度、煙霧超限以及輸送帶堆煤、打滑問題時，停機報警。

2 煤礦井下帶式輸送機PLC 集控系統硬件設計

2.1 PLC 模塊型號

本文所設計的PLC 集控系統中包含輸入位和輸出位各9 和28 個，為滿足集控需要，選定Q 系列作為PLC。其中，16 點輸入、輸出為QY40 型號，數量為1；QX40 模塊，數量為3 個；QJ61BT11N的CC-LINK；QJ71E71-100 為以太網。該PLC 控制器具備性能穩定、功能豐富、體積小的優勢，同時其最大的優勢在于其能夠在與通信模塊、變頻器、模擬量化數字量等多個外接模塊相銜接的同時支持多個CPU 同時工作，維持控制系統的穩定性與高效率，滿足系統實時通信與控制需求。這不僅是實現集控的基礎，同時也是開展高質量井下作業的基礎，通過通信聯系能夠組建大型的控制系統，該控制器還在很多領域都有相關應用。

2.2 外圍硬件電路

主皮帶帶式輸送機更傾向于中等負荷的范疇，因此軟啟動器電源來源于經饋電負荷側的電動機電源，電動機電源來源于軟啟動器的負荷側，在閉合軟啟動器后，電動機處于啟動狀態，使得帶式輸送機具有動能。可控硅模塊由可控硅組成，兩回路調節器為中心元件。當啟動電機后，調節器在設定的曲線和時間的支持下，控制電機維持穩定平滑啟動狀態，以此實現啟動軟啟動器操作[4]。分成直啟和軟啟操控軟啟動器，啟停帶式輸送機的操作：將按鈕撥至近控檔，并將隔離開關閉合后即可通過點擊啟停按鈕切換輸送機工作狀態。而將按鈕撥至遠控檔后，將隔離開關閉合后即可通過點擊集控啟停按鈕或者操作面板上的按鈕實現軟啟。軟啟動器控制原理圖見圖1。

圖1 軟啟動器控制原理圖

PLC 各模塊的接線方式見圖2。

圖2 輸出模塊接線圖

輸出點的控制對象及效果：控制PLC 運行指示燈、井上下集控、故障報警燈、灑水電磁閥、集控旁路、主電機啟停和閘電機啟停、信號傳輸。設置備用點7 個，常開1KA～5KA 中間繼電器的接點控制灑水電磁閥、集控旁路、主電機啟停、信號和閘電機啟停。例如：在輸送機啟動模式下，3KA 在得到輸出模塊的供電電壓后，閉合常開接點，并與軟啟動器使用線纜連接，使得軟啟動器以及帶式輸送機啟動運轉。在線路故障時，通過外圍的旁路電路可在按下SB10 按鈕后使得3KA 維持正常得電狀態[5]。利用旁路代替原本發生故障的模塊，控制軟啟動器正常工作。

控制箱電源線路中，閘電機的主回路可轉變電壓大小，在PLC 得電后，電壓從AC660V 變為AC220V、AC200V、AC127V，對應3U、2U、1U情況，且將AC220V 變為 DC24V，為系統模塊輸入輸出端正常運轉供電。設置AC220V 插座，放置于控制箱中，支持現場調試、讀出等程序作業。

3 煤礦井下帶式輸送機PLC 集控系統軟件設計

3.1 主程序

主程序的作用為初始化寄存器和調用子程序。得電啟運后，初始化寄存器，按照預先設定的中斷參數中斷關聯，獲取輸入信號。基于輸入信號的具體參數及特征，傳輸至對應的子程序中。一般指控制子程序和保護參數監測子程序。信號轉入后，執行相應程序及功能，刷新過程映像，將寄存器得到的結果輸出。判斷是否為PLC 停止狀態，若已停止，結束程序運行；若并未停止，退回至輸入信號采集階段繼續循環。除此之外，相關工作人員可以在既有監控需求的基礎上另外編入與作業環境相契合的故障指示與自動記錄程序，以此保障在相關組件出現故障的情況下，系統能夠自動檢測并排除故障。基于PLC 控制的變頻器在調試系統的過程中會對電動機的額定功率、額定電流以及磁極數等參數輸入至控制程序之中。后期運行過程中，變頻器可以利用自身的接口與PLC 控制程序達成銜接，進而實現通信控制，而PLC 控制程序也可以從變頻器中讀取到系統的相關參數，如運行方向、頻率轉速、電流以及電壓等。基于兩者的相互配合實現對帶式輸送機的細節控制。

3.2 PLC 軟件

打點信號由操作臺的打點按鈕發出，2KA 繼電器得電后，閉合常開接點，電鈴被接通并發出與打點時長匹配的聲光信號。預警由電鈴發出響聲，在啟動PLC 后，閉合其內部繼電器，輸出位被觸發。電鈴得電接通后控制吸合2KA 繼電器，由此接通電鈴電路，實現預警功能。

集中皮帶啟動后，操控集控系統中的啟動按鈕，觸發閉合內部繼電器操作，輸出位和時間繼電器觸發，電鈴電路由PLC 輸出位接通，開始電鈴預警。定時器定時6 s 后，將輸出位斷開，結束電鈴預警，并將另一內部定時器觸發，延時約2 s，另一輸出位被觸發。該輸出位與3KA 繼電器電路接通，得電后閉合常開節點[6]。軟啟動器接收啟動信號，將主電路電源閉合，啟動集中皮帶電機。該電機啟動后其他帶式輸送機開始運行，維持正常運行狀態后，閉合集中皮帶軟啟動器的主電路接觸器，傳輸運行反饋信號，此信號將觸發PLC 內部定時器。在延時約5 s 后，定時器沿置位上升至輸出位，與此同時，借助自動閉合輸出位操作，輸出位得以自保的基礎上，另一帶式輸送機啟動。

3.3 溫度監測子程序

采集監測拉線開關、傳感器是否出現跑偏、撕裂、堆煤、溫度偏高、煙霧量超標和速度超標的信息數據，獲得數據中若存在超標情況，要報警處理。

3.4 控制子程序

控制的內容應當為帶式輸送機運行效果影響因素。通過監測控制張緊裝置的張緊效果、制動閘開閉狀態、擴音電話開車預警，提升設備運行的自動化水平。

3.5 人機交互界面

位于上位機中的監控畫面能夠全天候實時顯示相關作業環境中每個皮帶機的驅動電壓值、電流值、作業溫度等數值，以此保障相關作業人員能夠通過人際交互界面實現對系統的監控與遠程控制。

4 變頻器配置

應結合相關系統電動機的額定功率去選擇、調試變頻器，以此保障變頻器的整體容量始終高于電機輸出功率的額定值。變頻器的主回路包含：1）交流—直流變換環節，即將頻率與電壓都不能發生變化的三相交流電轉變為直流電；2）直流—逆變交流環節，即將直流電逆變為電壓和頻率都能依照應用需求靈活轉換的交流電。變頻器基本構成見圖3。

圖3 變頻器基本構成

基于井下作業的特殊要求，本次研究主要應用MM420 變頻器配合現場總接線口對整體系統進行細節控制，其控制電路主要包含：

1）數字信號處理器：主要負責對系統電流、電壓以及溫度等參數進行監控與采樣，基于不同參數的細微變化開展故障檢測與報警工作。

2）輸入與輸出端子：用于接收外部信號（如開關、傳感器信號等）和輸出控制信號。這些信號用于控制電機的啟動、停止、速度調整等。

3）通信端口：利用一臺上位機實現對多機構、整體系統中多臺變頻器的遠程控制以及運行狀態監測。

4）操作面板：利用數字信號處理器以及通信端口與PLC 集控系統主要操作面板相銜接，將各種數據轉化為可視化格式，以滿足相關工作人員的觀察與操作需求。

5 傳輸機的邏輯關系與控制

1）啟動與停止邏輯：每個分站可以獨立控制其負責的帶式輸送機。主控制站可以發出全局命令，比如緊急停止所有輸送機，或者按順序啟動。

2）順序控制：為避免物料堆積或設備過載，輸送機的啟動和停止遵循特定的順序。例如，物料流的下游輸送機需要先啟動，上游輸送機后啟動。

3）互鎖與安全保護：各輸送機之間通過PLC實現互鎖控制。例如，如果一臺輸送機因故障停機，與其直接相關的上下游輸送機也會自動停止，防止事故擴大。

4）狀態監測與反饋：通過安裝在各輸送機上的傳感器，PLC 系統能實時監測每臺設備的運行狀態，如速度、溫度、負載等。任何異常都會被立即反饋到主控制站和相關分站。

5）優化調度：系統能根據實時的工作需求和設備狀態，調整各輸送機的運行模式和速度，以優化整體的物料流。

6）維護與故障排除：系統設計包含了維護和故障排除的功能。通過觸摸屏和控制臺，操作人員可以方便地訪問任一輸送機的狀態信息，快速響應和處理故障。

6 煤礦井下帶式輸送機PLC 集控系統應用效果

將所設計的PLC 集控系統接入到煤礦井下帶式輸送機系統上，得到以下結果：

1）在集控主畫面上能夠對每臺帶式輸送機的搭接和分布情況整體掌控。一方面能夠滿足相關作業人員及時、精準分辨機組狀態的需求，一方面則為保障工作人員能夠針對不同的機組故障在相關系統的輔助下以最快的速度實現對機械設備、程序軟件的調整與優化，完成對故障的檢查與修正工作，杜絕更高的損失。

2）分畫面上能夠顯示出煤倉煤位、帶速、溫度、電機電流以及單機的各個狀態，滿足工作人員對不同機組作業環境、機身參數等內容的觀察與控制。

3）結合軌道巡檢機器人上搭載的多種傳感器，能夠將輸送機運行環境氣體濃度、煙霧量、溫度數據等在紅外熱像儀、聲音圖像采集器上的數據傳輸至控制平臺，控制人員依據數據查詢復現故障問題及原因。處于地面控制中心的人員也可實時傳輸報警信息，并記錄在平臺上，完成逆煤流和順煤流的啟動。

7 結語

煤礦井下帶式輸送機的PLC 集控系統由變頻調速模塊、PLC 控制箱、數據采集模塊、煤流檢測模塊和操作臺組成。經實踐應用，所設計的系統能夠實時監測運行狀況、切換不同輸送機啟停狀態，排除外部環境因素的干擾前提下，縮短故障檢修和修復時間，對于提升多臺帶式輸送機正常工作效率起到促進作用。