皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

張 平

（西山煤電集團(tuán)新產(chǎn)業(yè)局機(jī)電修造園區(qū)， 山西 太原 030053）

引言

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、皮帶機(jī)等為綜采

工作面的大型機(jī)電設(shè)備，各個設(shè)備的可靠性和效率直接決定了綜采工作面的采煤效率。皮帶機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其主要功能是完成煤炭、矸石、設(shè)備等物料的運(yùn)輸任務(wù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，皮帶機(jī)常會出現(xiàn)打滑、跑偏、堆煤、超溫等事故。導(dǎo)致皮帶機(jī)出現(xiàn)上述事故的關(guān)鍵原因?yàn)槠淇刂葡到y(tǒng)成熟度不夠[1]。此外，當(dāng)前仍有部分綜采工作面皮帶機(jī)的運(yùn)輸是依靠人工完成的，不僅工作效率低而且安全系數(shù)低。為了提升皮帶機(jī)工作的可靠性和安全性，設(shè)計了一款適用于綜采工作面的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)實(shí)時、精準(zhǔn)控制，以確保皮帶機(jī)時刻在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

1 皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用的主旨為提升皮帶機(jī)在綜采工作面的工作效率和可靠性。

1.1 電氣控制系統(tǒng)的組成

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)是基于PLC 控制器對工作面各類傳感器所采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)出相應(yīng)的指令并控制皮帶機(jī)做相應(yīng)的動作，實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)工作面狀態(tài)的實(shí)時調(diào)整。皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，其中主站為主PLC 控制器和上位機(jī)觸摸品，從站為傳感器保護(hù)裝置和從PLC 控制器[2]。電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

主站主要對皮帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和控制，一旦現(xiàn)場發(fā)生事故，要求將事故類型及時反映到上位機(jī)和相關(guān)操作臺上；從站主要對基于各類傳感器對皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)測，使其運(yùn)行狀態(tài)滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[3]。

圖1 皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

由于皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)工作面環(huán)境相對惡劣，為了避免電氣控制系統(tǒng)主站和從站之間的通信被干擾，要求主站和從站的通信基于RS485 實(shí)現(xiàn)，且從站系統(tǒng)中傳感器的類型主要包括有溫度、速度、堆煤、煙霧、跑偏等傳感器。

1.2 皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計總要求

為實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)實(shí)時工作狀態(tài)包括工作環(huán)境、運(yùn)行速度、軸承溫度等參數(shù)的監(jiān)測，要求皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)具有動態(tài)顯示功能、聯(lián)鎖功能、故障保護(hù)功能等[4]。

其中，動態(tài)顯示功能為上位機(jī)能夠?qū)崟r顯示皮帶機(jī)工作環(huán)境、運(yùn)行速度、軸承溫度以及是否出現(xiàn)打滑、跑偏等事故的信號；聯(lián)鎖功能為根據(jù)皮帶機(jī)的工作特征為其設(shè)定一定的啟動順序和停止順序，要求皮帶機(jī)必須遵循啟動或者停止順序才能工作；故障保護(hù)功能為當(dāng)皮帶機(jī)在工作中出現(xiàn)打滑、跑偏、堆煤等事故時，系統(tǒng)應(yīng)及時作出相應(yīng)的動作，阻止事故的進(jìn)一步發(fā)生，并將故障信號顯示于上位機(jī)為維修人員后續(xù)的維修工作做參考。

要求皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)滿足如下要求：防爆要求、先進(jìn)性要求、可靠性要求、兼容性要求、實(shí)時管理要求、故障保護(hù)要求。

2 皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括有主站硬件、從站硬件以及主站與從站的通訊方式的設(shè)計。

2.1 主站硬件的設(shè)計

主站硬件設(shè)計內(nèi)容包括有對控制模塊、電源模塊以及顯示模塊的選型，還包含有主站硬件系統(tǒng)中電氣控制柜的設(shè)計及硬件的連接。

2.1.1 相關(guān)模塊的選型

鑒于綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，對其相關(guān)模塊選型時的首要原則為其能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境的工作需求，且具有較強(qiáng)的抗干擾性能。

針對控制模塊而言，當(dāng)前可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的控制方式有繼電器控制、單片機(jī)控制以及PLC 控制。其中，以PLC 控制模塊的穩(wěn)定性、可靠性最高。經(jīng)對比各類PLC 控制器后，該電氣控制系統(tǒng)控制模塊為KC02-MD 礦用本安型PLC。

針對電源模塊，首要選型原則為具備防爆功能，且所選型控制模塊所需供電等級為12 V。綜合分析，所選電源模塊的類型為防爆變壓器PAK 系列的相關(guān)產(chǎn)品。

針對顯示模塊，選用具有較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和傳輸能力的設(shè)備，且具備防爆功能。經(jīng)市場調(diào)研，選用國產(chǎn)KC01 工業(yè)礦用人體界面本安觸摸屏真彩顯示器一體機(jī)[5]。

2.1.2 主站硬件的連接

主站硬件的連接主要分為供電系統(tǒng)的連接和PLC 控制器輸入/輸出接口的連接。主站硬件的連接原理圖如圖2 所示。

圖2 主站硬件連接原理示意圖

2.2 從站硬件的設(shè)計

2.2.1 從站相關(guān)硬件的選型

皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)從站的硬件主要包括有從站PLC 控制器及其各類傳感器。因此，從站硬件設(shè)計主要是完成從站PLC 控制器及傳感器的選型設(shè)計。

從站PLC 控制器的選型要求與主站相似。因此，從站PLC 控制器的選型結(jié)果為KC02-MD 礦用本安型PLC。

傳感器作為從站中的主要組成部分，其測量精度及可靠性直接據(jù)決定主站PLC 控制器對皮帶機(jī)實(shí)時控制指令。皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)從站傳感器的選型結(jié)果如表1 所示。

表1 從站傳感器選型

2.2.2 從站硬件的連接

從站與主站不同之處在于：從站主要對皮帶機(jī)工作環(huán)境情況、設(shè)備軸承溫度、輸送帶速度等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，并將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸通過RS485 傳輸至主站；而主站主要是根據(jù)從站所采集到的信息得出相應(yīng)的控制指令，以確保皮帶機(jī)在最佳工作狀態(tài)下運(yùn)行。因此，從站硬件連接設(shè)計中，除了從站PLC 控制器與各類傳感器的連接外，還包含有從站與主站的硬件連接。從站的硬件連接示意圖如圖3所示。

圖3 從站硬件連接示意圖

完成了皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)從站和主站的硬件選型設(shè)計后，還需選用最佳通訊方式作為電氣控制系統(tǒng)信息的傳輸路徑。目前，普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的通信協(xié)議主要有RS232 和RS485 通信方式。綜合考慮綜采工作面通訊距離遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣以及干擾嚴(yán)重等因素，皮帶機(jī)電氣控制系統(tǒng)選用RS485 通信方式。

3 結(jié)語

皮帶機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其承擔(dān)著工作面物料、設(shè)備與地面的運(yùn)輸任務(wù)。為提升皮帶機(jī)的運(yùn)輸效率，降低作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，提升皮帶機(jī)的安全性和可靠性，基于PLC 設(shè)計一款電氣控制系統(tǒng)，該電氣控制系統(tǒng)采用主站、從站的設(shè)計理念，并結(jié)合綜采工作面的生產(chǎn)情況及控制需求完成了主站、從站關(guān)鍵零件的選型設(shè)計，最后為該電氣控制系統(tǒng)配置RS485 通信協(xié)議，為綜采工作面的高效生產(chǎn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。