基于PLC控制系統(tǒng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障報(bào)警設(shè)計(jì)

張 明

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

0 引 言

隨著煤礦礦井規(guī)模的不斷增大、礦山機(jī)械設(shè)備的不斷改進(jìn)，隨著軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，集中控制、智能控制正在逐漸成為皮帶運(yùn)輸機(jī)的發(fā)展方向，目前，皮帶運(yùn)輸機(jī)的“無(wú)人值守”已成為可能。然而，隨著井下工作面長(zhǎng)度的不斷增大，皮帶運(yùn)輸機(jī)作為煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)的主要設(shè)備也隨之加長(zhǎng)，長(zhǎng)距離的皮帶運(yùn)輸常會(huì)出現(xiàn)皮帶斷裂、打滑、跑偏、撒料等故障，這些情況會(huì)導(dǎo)致減少皮帶運(yùn)輸機(jī)壽命、破壞運(yùn)輸系統(tǒng)安全等，嚴(yán)重威脅運(yùn)輸系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)含有皮帶運(yùn)輸機(jī)故障報(bào)警甚至故障定位功能PLC控制系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)輸機(jī)工作狀態(tài)，做到有故障早發(fā)現(xiàn)、早解決尤為必要。

1 皮帶運(yùn)輸機(jī)故障分析

煤礦井下運(yùn)輸機(jī)一般都具有長(zhǎng)度大、載重大的特點(diǎn)，動(dòng)輒幾百上千米，在繁重的生產(chǎn)過(guò)程中，故障在所難免，主要有皮帶機(jī)跑偏、異常噪音、撒料、皮帶打滑、皮帶斷裂、減速機(jī)斷軸等，其主要特征及破壞程度如下：

1）皮帶跑偏。皮帶運(yùn)輸機(jī)的皮帶正常以中軸對(duì)稱(chēng)的U型覆于底部支架滾軸上載重運(yùn)行，當(dāng)皮帶中軸偏離支架中心，即為皮帶跑偏。皮帶跑偏在皮帶運(yùn)輸機(jī)故障中占有較大比例，主要表現(xiàn)為懸空于運(yùn)輸機(jī)支架上方、偏離運(yùn)輸機(jī)支架兩側(cè)等兩種情形。皮帶跑偏一方面會(huì)造成大面積的撒料、堆積，增加不必要的人工成本；另一方面，長(zhǎng)時(shí)間的跑偏使得皮帶兩側(cè)受力不均，引起撕裂，嚴(yán)重縮短皮帶正常使用壽命。

2）皮帶運(yùn)輸機(jī)的撒料。皮帶運(yùn)輸機(jī)撒料原因也是多方面的，常見(jiàn)原因有兩種。一種是皮帶懸空撒料；煤礦運(yùn)輸巷道底板并不一定是水平的，而是隨著煤層走向而起伏，因此就造成了布置于其中的皮帶運(yùn)輸機(jī)的起伏不平，在皮帶運(yùn)輸機(jī)的低洼段，皮帶運(yùn)輸機(jī)底座曲率半徑小于皮帶曲率半徑時(shí)，皮帶懸空，U型槽變平槽，煤炭撒落。另一種情況便是皮帶跑偏造成的撒料，皮帶兩側(cè)一高一低，煤炭從低側(cè)撒落，此時(shí)需要對(duì)皮帶進(jìn)行糾偏。

3）皮帶打滑。皮帶打滑也是皮帶運(yùn)輸機(jī)故障中較為常見(jiàn)的一種，表現(xiàn)為皮帶與轉(zhuǎn)軸無(wú)法同步轉(zhuǎn)動(dòng)，致使皮帶與轉(zhuǎn)軸之間形成劇烈滑動(dòng)摩擦，不必要的磨損嚴(yán)重縮短了皮帶運(yùn)輸機(jī)的使用壽命。引起皮帶打滑的原因大多是因?yàn)閺埦o裝置上問(wèn)題，張緊裝置一般有兩種，一種是重錘張緊，一種是螺旋張緊或液壓張緊。前者通過(guò)增加配重使皮帶張緊不再打滑，后者通過(guò)調(diào)整張緊行程來(lái)阻止皮帶打滑。

4）皮帶斷裂。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，皮帶皮帶斷裂往往是因?yàn)槠Ю匣?、磨損嚴(yán)重，斷裂部位主要發(fā)生在皮帶運(yùn)輸機(jī)滾軸處和皮帶接口處，這兩處也恰是皮帶弱面或受力不均衡處，是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)位置。

圖1 皮帶運(yùn)輸機(jī)故障類(lèi)型占比對(duì)比圖

如圖1所示，根據(jù)實(shí)踐調(diào)查，皮帶機(jī)跑偏和撒料是目前占比最高的兩項(xiàng)故障類(lèi)型，根據(jù)PLC特點(diǎn)，本文選取皮帶機(jī)跑偏、撒料、皮帶打滑、皮帶斷裂等四項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)且占比較高的故障類(lèi)型納入PLC控制系統(tǒng)。

2 PLC故障報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC可編程邏輯控制器有效融合了計(jì)算機(jī)、集中控制、通訊等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，與復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)相比具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、周期短、體積小、維護(hù)使用簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于煤礦井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。設(shè)計(jì)采用PLC控制系統(tǒng)作為皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障識(shí)別報(bào)警的控制中心，可接入全礦井監(jiān)控系統(tǒng)或單獨(dú)使用。

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 工作原理

圖2 PLC主控制流程圖

如圖2所示，系統(tǒng)初始化后，控制系統(tǒng)讀取傳感器數(shù)據(jù)，皮帶機(jī)會(huì)正常運(yùn)行，通過(guò)配合使用傳感器設(shè)備完成基礎(chǔ)參數(shù)收集，參數(shù)包括皮帶跑偏傳感器角度、壓力值、皮帶拉力值、轉(zhuǎn)速差等，控制系統(tǒng)將傳感器反饋數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定安全值進(jìn)行對(duì)比分析，超出安全值即啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)，并反饋相應(yīng)故障位置。

2.1.2 PLC程序設(shè)計(jì)

1）程序語(yǔ)言。程序語(yǔ)言的選擇滯后于PLC型號(hào)的選擇，因此編程語(yǔ)言根據(jù)所選定的PLC決定，如西門(mén)子PLC-300采用STEP7 V5.5軟件進(jìn)行編程。

2）功能實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)功能的要求首先要明確系統(tǒng)任務(wù)內(nèi)容、輸入輸出量的類(lèi)型，需對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哪種處理、處理方式以及結(jié)果等。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。PLC控制系統(tǒng)涉及到一系列外部設(shè)備，以1s為間隔的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)頻率向存儲(chǔ)空間輸送數(shù)據(jù)，不間斷的監(jiān)測(cè)反饋會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)記錄，在多臺(tái)輸送機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的情況下，數(shù)據(jù)量會(huì)更加龐大，加之皮帶跨度大、運(yùn)行快，總體數(shù)據(jù)量會(huì)很大。

4）物理結(jié)構(gòu)。根據(jù)物理結(jié)構(gòu)的不同，PLC有整體式和模塊式兩種，一般情況下，整體式被多用于小型PLC系統(tǒng)，且價(jià)格低廉，性?xún)r(jià)比較高。

5）抗干擾能力選擇。PLC控制系統(tǒng)所處的工作環(huán)境要求其具有較強(qiáng)抗干擾能力，抗干擾能力考察貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維過(guò)程，良好的抗干擾能力才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。

6）通信能力。PLC的控制過(guò)程依賴(lài)于良好的通信能力，在通信能力的選定方面一定要預(yù)留后期增設(shè)的線路或端口，為后期增加系統(tǒng)能力預(yù)留空間。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)計(jì)

1）皮帶跑偏的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)在皮帶運(yùn)輸機(jī)底座兩側(cè)布置皮帶跑偏傳感器對(duì)跑偏情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，每隔30-50m布置一對(duì)（布置密度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要確定），當(dāng)皮帶偏離角度超出設(shè)定值時(shí)，傳感器反饋警戒值，PLC控制系統(tǒng)啟動(dòng)控制流程，顯示跑偏位置區(qū)段。

2）撒料的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。在皮帶輸送機(jī)低洼處布置堆煤傳感器，堆煤傳感器數(shù)值向PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送，當(dāng)超出安全值時(shí)即啟動(dòng)反饋機(jī)制，顯示跑偏位置區(qū)段。

3）皮帶打滑的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。在皮帶運(yùn)輸機(jī)端頭滾筒及皮帶中部設(shè)置速度傳感器，PLC控制中心通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)比兩者的速度差值判定是否產(chǎn)生打滑，并適時(shí)啟動(dòng)控制系統(tǒng)。

4）皮帶斷裂的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。在皮帶運(yùn)輸機(jī)端頭張緊設(shè)備內(nèi)設(shè)置拉力傳感器，皮帶運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中張緊力顯示為一定數(shù)值，當(dāng)數(shù)值急劇減小時(shí)即判定皮帶斷裂。

如圖3所示，以皮帶跑偏故障為例，以上故障監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：皮帶跑偏→跑偏傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送→數(shù)據(jù)存儲(chǔ)→皮帶跑偏模塊數(shù)據(jù)對(duì)比→超出安全值判定→皮帶跑偏聲光報(bào)警。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)硬件布置示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

1）皮帶運(yùn)輸機(jī)底座曲率半徑小于皮帶曲率半徑時(shí)，皮帶懸空，U型槽變平槽，煤炭撒落，應(yīng)盡可能地采用較大的凹段曲率半徑來(lái)避免此類(lèi)情況的發(fā)生。

2）基于PLC控制系統(tǒng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障報(bào)警設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了皮帶運(yùn)輸機(jī)的故障定位、運(yùn)輸機(jī)啟停等功能，提高了故障一次定位的準(zhǔn)確性，減少了人力物力成本，提高了皮帶運(yùn)輸機(jī)的效率。

3）該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、研發(fā)周期短、體積小、維護(hù)使用簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于煤礦井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，在效率、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有一定的推廣價(jià)值。