基于PLC的煤礦井下皮帶集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

劉凱源　劉信　劉凱

摘 要 煤炭運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)中必不可少的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。膠帶輸送機(jī)具有運(yùn)行可靠靈活、動(dòng)力消耗低、輸送線路適應(yīng)性強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在煤礦中得到廣泛應(yīng)用，為了保證煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，對(duì)膠帶輸送機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)視和控制很重要。本文以某礦主斜井及地面膠帶輸送機(jī)為背景，設(shè)計(jì)出了以PLC技術(shù)為核心的皮帶集中控制系統(tǒng)，保證了煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 PLC 膠帶輸送機(jī) S7-300 集中控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

煤炭運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)中必不可少的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。煤炭運(yùn)輸線路往往比較長(zhǎng)最遠(yuǎn)可達(dá)數(shù)千米以上，巷道條件變化大，運(yùn)輸如果不通暢，整個(gè)礦井生產(chǎn)將會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓。

膠帶輸送機(jī)具有運(yùn)行可靠靈活、動(dòng)力消耗低、輸送線路適應(yīng)性強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，非常適合煤礦運(yùn)輸，因此在煤礦中得到廣泛應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)背景介紹

某礦是年產(chǎn)125萬(wàn)噸的大型礦井，采用膠帶輸送機(jī)作為其主要運(yùn)輸方式，其主運(yùn)輸系統(tǒng)包括主提升膠帶輸送機(jī)、走廊膠帶輸送機(jī)、振動(dòng)篩、中煤塊膠帶輸送機(jī)、大煤塊膠帶輸送機(jī)、過(guò)橋膠帶輸送機(jī)和末煤刮板輸送機(jī)、煤倉(cāng)等。各條皮帶機(jī)都由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，正常運(yùn)行速度為2m/s，其中振動(dòng)篩為雙層的，每條皮帶機(jī)均設(shè)置跑偏、堆煤、煙霧、拉線急停、打滑、縱撕等保護(hù)。其工藝流程圖如圖1所示。其中箭頭指示煤流方向。

本礦井皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)控制采用繼電器控制，可靠性差、體積大、故障率高、勞動(dòng)強(qiáng)度較大。其控制方式有兩種：集中手動(dòng)控制和就地控制，沒有集中自動(dòng)控制，所有的控制都由人來(lái)操作。集中控制室設(shè)在選煤樓振動(dòng)篩的附近，由控制柜、操作臺(tái)和觸摸屏組成。皮帶機(jī)的控制通過(guò)操作臺(tái)上對(duì)應(yīng)的啟停按鈕集中控制，觸摸屏實(shí)時(shí)顯示皮帶的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)集、故障位置。各皮帶機(jī)的機(jī)頭或機(jī)尾都設(shè)置就地控制箱，在檢修或特殊情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的就地啟?？刂?。皮帶按逆煤流啟動(dòng)，順煤流停車。啟動(dòng)順序?yàn)椋耗┟汗伟鍣C(jī)、過(guò)橋皮帶、大小塊皮帶、振動(dòng)篩、走廊皮帶、主提升皮帶、給煤機(jī)；停止順序與此相反。每一條皮帶安排一人專門負(fù)責(zé)巡視，勞動(dòng)量大、效率低。

3膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1膠帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

本膠帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)具有的功能如下所述：

（1）本系統(tǒng)有集控、就地、檢修三種工作模式。一般系統(tǒng)運(yùn)行在集控工作模式下，當(dāng)組成生產(chǎn)流水線時(shí)，本機(jī)根據(jù)前后閉鎖關(guān)系自動(dòng)啟、停，同時(shí)檢測(cè)各檢測(cè)保護(hù)設(shè)備的狀況；運(yùn)行就地工作模式時(shí)，操作員手動(dòng)操作按鈕啟動(dòng)、停止膠帶機(jī)，所有保護(hù)設(shè)備均投入使用；運(yùn)行檢修工作模式時(shí)，操作員手動(dòng)啟動(dòng)、停止膠帶，保護(hù)設(shè)備可有選擇性的投入使用，在檢修模式下，我們使膠帶低速運(yùn)行。工作模式的改變，只有在膠帶輸送機(jī)停止工作時(shí)進(jìn)行，膠帶輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不能改變其工作模式；

（2）報(bào)警停車等故障信號(hào)自動(dòng)保持，即運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中一旦發(fā)出故障信號(hào)停車，即使維修人員將故障排除后，設(shè)備仍然無(wú)法啟動(dòng)，這時(shí)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的復(fù)位指令功能就可以消除掉故障信號(hào)狀態(tài)，設(shè)備才能啟動(dòng)；

（3）煤礦膠帶輸送機(jī)按照逆煤流啟動(dòng)，順煤流延遲停車，同時(shí)具有閉鎖保護(hù)功能；

（4）系統(tǒng)具有膠帶機(jī)低速打滑、機(jī)頭堆煤、超溫灑水、煙霧、滾筒超溫、沿線急停和跑偏等多種保護(hù)；

（5）對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況及工藝參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具有聲光報(bào)警功能；

（6）可與工業(yè)電視系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過(guò)工業(yè)電視系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視皮帶機(jī)重點(diǎn)部位運(yùn)行情況，以確保人員及設(shè)備的安全。具有喊話、打點(diǎn)通訊功能，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守；

（7）膠帶運(yùn)輸機(jī)的開、停有就地啟動(dòng)和遠(yuǎn)程集控啟動(dòng)兩種操作方式，方便根據(jù)需要自主選擇操作方式。設(shè)備啟動(dòng)前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示有關(guān)人員應(yīng)立即遠(yuǎn)離設(shè)備；

（8）具有聯(lián)網(wǎng)功能，可與礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可靠的連接、實(shí)現(xiàn)一體化全局監(jiān)控。

3.2膠帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，組成主從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝流程劃分，系統(tǒng)以PLC為控制主站，以每條皮帶就地控制箱配備的遠(yuǎn)程I/OET200M為從站，共設(shè)7個(gè)從站，這樣就節(jié)約了大量電纜等材料。本系統(tǒng)由集中控制臺(tái)、PLC控制柜、觸摸屏、就地箱、各種保護(hù)傳感器及執(zhí)行器組成。完成一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)多條皮帶多個(gè)設(shè)備全過(guò)程的控制、監(jiān)測(cè)，構(gòu)成一個(gè)完善的集中控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3膠帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

膠帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)主要由PLC、人機(jī)界面等組成，它主要控制膠帶輸送機(jī)、各種參數(shù)檢測(cè)和故障保護(hù)裝置，將各種信息在觸摸屏上集中顯示。

3.4膠帶輸送機(jī)集控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.4.1集控系統(tǒng)PLC的設(shè)計(jì)

（1）CPU的選擇。

①I/O點(diǎn)數(shù)的確定。經(jīng)過(guò)對(duì)各輸入輸出的大略計(jì)算，本設(shè)計(jì)中需要數(shù)字量輸入164點(diǎn)，數(shù)字量輸出69點(diǎn)，模擬量輸入通道14路。

②存儲(chǔ)器容量選擇。PLC的I/O點(diǎn)數(shù)估算值大小，在很大程度上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可以在I/O點(diǎn)數(shù)估算值的基礎(chǔ)上計(jì)算對(duì)PLC存儲(chǔ)器容量的需求。目前，大多用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行存儲(chǔ)器容量估算。這種方法是以PLC處理每個(gè)信息量所需存儲(chǔ)器數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù)，乘以信息量數(shù)再考慮一定的裕量計(jì)算得到存儲(chǔ)器需要容量。作為一般應(yīng)用下的一種經(jīng)驗(yàn)公式是：

存儲(chǔ)器容量（KB）=（1.1～1.25）€祝―I€？0+DO€？+AI/O€？00）/1024

其中：DI為數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)；

DO為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)；

AI/O為模擬量I/O通道總數(shù)。

DI點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為164€？.15=189，DO點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為69€？.15=80，AI通道估計(jì)值為14€？.15=17個(gè)。所以存儲(chǔ)器容量為：

1.2€？189€？0+69€？+17€？00）/1024=4.62KB

工程實(shí)踐中，大多采用粗略估算，加大裕量，實(shí)際選型時(shí)參考此值采用就高不就低的原則。

③響應(yīng)速度。PLC是為工業(yè)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次的PLC的響應(yīng)速度一般能滿足起應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者應(yīng)用中的某些功能或信號(hào)有特別的速度要求時(shí)，確定PLC的型號(hào)就應(yīng)特別慎重。

通過(guò)上面的計(jì)算，考慮系統(tǒng)通訊和冗余的要求，選用SIMATIC S7-300系列中的CPU315-2 DP是最合適的。其中最主要的原因是CPU315-2 DP是S7-300系列中唯一帶現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS） SINEC L2-DP接口的CPU模塊。內(nèi)置80KB RAM，隨機(jī)存儲(chǔ)器為48KB，最大數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)為1024個(gè)，最大模擬量I/O通道數(shù)為128個(gè)。最大配置4個(gè)機(jī)架，32塊模塊。滿足設(shè)計(jì)需要。

3.5 膠帶集中控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.5.1 集中控制的流程圖

西門子的S7-300系列PLC所用的編程語(yǔ)言是西門子開發(fā)的STEP7，這是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中，在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行編程的語(yǔ)言。將它通過(guò)計(jì)算機(jī)的串行口和一根PC/MPI轉(zhuǎn)接電纜與PLC的MPI口相連，即可進(jìn)行相互間的通信。通過(guò)STEP7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語(yǔ)句表等形式進(jìn)行離線編程，經(jīng)過(guò)編譯后通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜直接送入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，還可以在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況，甚至可以在線修改程序中變量的值，給調(diào)試工作也帶來(lái)極大的方便。

該集中控制系統(tǒng)共有三種工作方式。集控方式下，膠帶機(jī)和給煤機(jī)根據(jù)生產(chǎn)工藝流程預(yù)先編制的程序來(lái)集中控制啟停，各種保護(hù)均投入；就地方式下，膠帶機(jī)和給煤機(jī)由操作員控制手動(dòng)按鈕通過(guò)PLC分別控制它們的啟停，保護(hù)也均投入；檢修方式下，膠帶機(jī)和給煤機(jī)也采用手動(dòng)按鈕通過(guò)PLC分別控制啟停，但是保護(hù)可根據(jù)需要有選擇的進(jìn)行投入，各故障的投入選擇可在顯示屏內(nèi)進(jìn)行控制。

4總結(jié)

礦井膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)是分布復(fù)雜，部件繁多，且又要求運(yùn)行協(xié)調(diào)一致的連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)。為了保證煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行，對(duì)膠帶輸送機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)視和控制很重要。通過(guò)以PLC技術(shù)為核心的皮帶集中控制系統(tǒng)，大大提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制水平，保證了煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

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