煤礦井下皮帶輸送機(jī)PLC控制實踐研究

郭飛飛

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西太原 030200）

皮帶輸送機(jī)是被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、食品、鋼鐵、飼料加工、煤炭等行業(yè)的連續(xù)性運(yùn)輸設(shè)備，在煤炭行業(yè)主要應(yīng)用于井下煤炭和矸石的轉(zhuǎn)運(yùn)，個別煤礦也會用于人員運(yùn)輸[1-2]?？删幊炭刂破鳎≒LC）是近幾十年來發(fā)展最為迅速的控制裝置，是自動化控制、計算機(jī)應(yīng)用、通訊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有數(shù)據(jù)采集、順序控制和分散控制等諸多功能，且具備運(yùn)行可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、編程方便，結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點，正是如此，PLC的應(yīng)用也是工業(yè)實現(xiàn)機(jī)電一體化的重要方式[3-8]。鑒于礦井下條件的復(fù)雜化和多變化，多臺皮帶輸送機(jī)實現(xiàn)集中智能化控制一直是礦井的研究重點，因此，決定將PLC控制引入到皮帶輸送機(jī)控制中，同時實現(xiàn)皮帶運(yùn)輸狀態(tài)的實時監(jiān)控，現(xiàn)以由4臺皮帶輸送機(jī)組成的煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)為研究對象進(jìn)行皮帶輸送機(jī)PLC控制實踐研究。

1 皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計

研究對象為由4部皮帶輸送機(jī)組成的煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)，見圖1所示。為了確保運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性和安全性，運(yùn)輸系統(tǒng)配備有自動控制和手動控制兩種控制方法，這兩種控制可通過切換開關(guān)實現(xiàn)，所有的操作均布置在主控室內(nèi)，操作人員可通過控制液晶顯示屏觀測和掌握各設(shè)備和運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。4部皮帶輸送機(jī)組成的運(yùn)輸系統(tǒng)采用PLC控制，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控由工業(yè)控制計算機(jī)來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性、安全性和高效性，系統(tǒng)控制功能設(shè)計如下：

圖1 煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)示意

（1）為了實現(xiàn)煤炭順序運(yùn)輸，避免煤炭在皮帶上堆積，運(yùn)輸系統(tǒng)啟動時依照PD4（M4）→PD3（M3）→PD2（M2）→PD1（M1）的次序逆煤炭運(yùn)輸方向啟動，各皮帶輸送機(jī)電機(jī)啟動時間可根據(jù)需要啟動間隔時間確定，研究中設(shè)定時間間隔為15 s；關(guān)閉系統(tǒng)時按照PD1（M1）→PD2（M2）→PD3（M3）→PD4（M4）的次序順煤炭運(yùn)輸方向啟動，各皮帶輸送機(jī)電機(jī)停止間隔時間根據(jù)現(xiàn)場需要確定，研究中設(shè)定時間間隔為30 s，這樣可盡量減少皮帶上的物料。

（2）當(dāng)運(yùn)輸系統(tǒng)中某臺皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)問題時，前方皮帶輸送機(jī)和該問題皮帶輸送機(jī)能夠自動停車，后續(xù)皮帶輸送機(jī)不受影響，待輸送完煤炭后自動停止運(yùn)行。如，當(dāng)PD2（M2）發(fā)生故障，PD1（M1）和PD2（M2）立即停車，PD3（M3）和PD4（M4）按照設(shè)定的時間間隔停車，即經(jīng)30 s后PD3（M3）停車，再過30 s后，PD4（M4）停車，控制流程見圖2所示。

（3）為了確保運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性，避免因非可預(yù)料因素導(dǎo)致的皮帶輸送機(jī)故障，將急?？刂蒲b置引入到運(yùn)輸系統(tǒng)中，即如需緊急停車，可實現(xiàn)4部皮帶同時無條件停車。

（4）為了提高運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率，將皮帶傳動速度設(shè)定為可調(diào)，該研究中將皮帶輸送機(jī)調(diào)速控制設(shè)計為分級調(diào)速和無極調(diào)速兩種控制。

（5）通過監(jiān)控系統(tǒng)實時掌握皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，各類報警裝置發(fā)揮各自功能，確保皮帶輸送機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

圖2 運(yùn)輸系統(tǒng)中各皮帶輸送機(jī)啟?？刂品绞?/p>

2 皮帶輸送機(jī)PLC控制設(shè)計

2.1 PLC控制器

皮帶輸送機(jī)控制以往多采用繼電器控制，繼電器控制采用硬件連線方式實現(xiàn)，是利用機(jī)械觸點的并聯(lián)或串聯(lián)和延時來實現(xiàn)控制邏輯，工作頻率相對較低，定時精度不高，易受環(huán)境影響，且只能完成既定的邏輯控制。PLC控制可根據(jù)需要重新編寫程序，又稱軟連線；PLC指令依靠半導(dǎo)體電路實現(xiàn)控制，速度高、精度高、調(diào)整時間方便，受外部環(huán)境影響較小。另外，PLC功能集成化程度高，可實現(xiàn)順序控制、傳動控制、過程應(yīng)用等，適宜復(fù)雜程序的控制?？紤]到該實踐研究的目的，同時為了降低資金投入和確保安全，采用歐姆龍公司生產(chǎn)的CPM2A系列可編程控制器。

2.2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，在該研究對象中，工業(yè)控制計算機(jī)作為上位機(jī)與皮帶輸送機(jī)PLC控制器進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)，對各皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時采樣，如掌握皮帶跑偏信號、電機(jī)溫度信號、煙霧信號、皮帶堆煤信號等，并在液晶顯示屏上以文字或者數(shù)字的形式顯示，且當(dāng)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)超過規(guī)定值時會發(fā)出警報，如皮帶跑偏超過15°時發(fā)出皮帶跑偏警報，當(dāng)溫度、煙霧等出現(xiàn)異常時也會發(fā)出相應(yīng)的報警，達(dá)到設(shè)定上限值時自動強(qiáng)制停車。

圖3 皮帶傳輸系統(tǒng)PLC控制結(jié)構(gòu)

為方便皮帶輸送機(jī)調(diào)速，試驗中設(shè)計了分級調(diào)速和無極調(diào)速兩種調(diào)速方式，前者是在一定頻率范圍內(nèi)根據(jù)需要選擇幾個均勻速度作為分級調(diào)速輸出頻率，后者是在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)對變頻器進(jìn)行無極調(diào)速。

2.3 PLC控制程序設(shè)計

PLC控制程序具體見圖4所示。在PLC控制器加電時，初始化子程序開始執(zhí)行命令。分級調(diào)速程序和無級調(diào)速程序控制皮帶輸送機(jī)調(diào)速，分級調(diào)速頻率范圍設(shè)定為0～60 Hz，選取相對均勻的頻率作為輸出頻率，分別為6.4 Hz、12.5 Hz、5.6 Hz和51.4 Hz，通過分級調(diào)速實現(xiàn)皮帶輸送機(jī)四級調(diào)速，且設(shè)定四級調(diào)速按鈕分別互鎖，只允許一個速度位存在，避免各梯級出現(xiàn)沖突現(xiàn)象；通過設(shè)定0～60 Hz頻率范圍內(nèi)變頻器輸出頻率設(shè)計無級調(diào)速，其中頻率f=a×x（0≤x≤16，x∈Z；a取經(jīng)驗值3.2），這樣即可通過改變x值來實現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的無級調(diào)速。聯(lián)鎖啟?？刂瞥绦?qū)崿F(xiàn)皮帶輸送機(jī)的聯(lián)鎖啟動和停車，并可根據(jù)突發(fā)情況實施部分或者全部皮帶輸送機(jī)停車。

圖4 PLC控制程序控制流程

3 PLC控制系統(tǒng)抗干擾措施

PLC控制系統(tǒng)具有性能可靠、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，但在強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場等高頻干擾下，PLC控制器也會出現(xiàn)控制精度降低、內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。分析認(rèn)為，PLC控制系統(tǒng)干擾源主要有電源線引入干擾、信號線引入干擾和接地系統(tǒng)干擾等，電源線和信號線可能引起電流場和電磁場紊亂，接地系統(tǒng)紊亂會造成接地點電位不均勻，引起地環(huán)電流，這些都易影響PLC控制。鑒于此，可采取影響措施來提高PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力。

（1）采用專用電源，將電源與其他設(shè)備電源分開，避免其他大型設(shè)備啟停對供電電源影響；采用隔離變壓器將控制電源與PLC隔離，同時在隔離變壓器和PLC間增加濾波器，盡量避免干擾信號對PLC控制的影響。

（2）在交流信號輸入端并聯(lián)壓敏電阻，在直流信號輸入端并聯(lián)續(xù)流二極管。在直流信號輸出端接壓敏電阻，交流信號輸出端接壓敏電阻，晶體管及晶閘管輸出端接旁路電阻保護(hù)。

（3）PLC控制系統(tǒng)應(yīng)采用直接一點接地方式，同時為了減少地環(huán)流的干擾，要求接地電纜截面積不小于2 mm2，接地電阻不超過100 Ω，且接地線要求使用專用地線。

4 結(jié)語

煤礦井下皮帶輸送機(jī)正常運(yùn)行是確保生產(chǎn)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，而皮帶輸送機(jī)當(dāng)前多采用人工控制，費(fèi)時費(fèi)力，且運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性難以得到保證。PLC控制作為現(xiàn)代最先進(jìn)的控制手段，將其運(yùn)用到井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中可大幅度提高運(yùn)輸系統(tǒng)的自動化水平，可實現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的狀態(tài)實時監(jiān)控，同時可通過編程改變PLC控制參數(shù)和增減控制功能模塊來提高PLC控制效果，PLC控制是井下皮帶集中控制的發(fā)展方向。