PLC控制技術(shù)在煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)故障報(bào)警設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

韓方超

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西高平048400）

近年來(lái)隨著我國(guó)煤礦裝備的自動(dòng)化、信息化和智能化的不斷發(fā)展，煤炭產(chǎn)業(yè)也在進(jìn)行相關(guān)新技術(shù)的探索和嘗試，皮帶運(yùn)輸機(jī)的集中控制、自動(dòng)控制已在我國(guó)部分煤礦得到應(yīng)用。然而，隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的不斷提高，工作面走向長(zhǎng)度不斷增加，作為井下主要運(yùn)輸裝備的皮帶運(yùn)輸機(jī)也隨之不斷加長(zhǎng)。皮帶運(yùn)輸機(jī)的長(zhǎng)距離運(yùn)行經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跑偏、撒料、打滑、撕裂等故障，這些故障的出現(xiàn)會(huì)影響井下正常生產(chǎn)作業(yè)、減少皮帶運(yùn)輸機(jī)使用壽命，嚴(yán)重會(huì)引發(fā)皮帶運(yùn)輸安全事故。因此，采用PLC控制技術(shù)設(shè)計(jì)一套故障報(bào)警和定位控制系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障判定和快速故障區(qū)域定位，便于人員快速處理皮帶故障，減少人工查找故障發(fā)生地點(diǎn)及故障原因的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率顯得尤為必要。

1 皮帶常見(jiàn)故障類型及原因分析

煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)作為一種長(zhǎng)距離物料運(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，受井下巷道底板起伏不平、安裝精度不準(zhǔn)確及日常維護(hù)保養(yǎng)不到位各種因素的影響，在長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中，皮帶運(yùn)輸機(jī)很容易出現(xiàn)故障。經(jīng)常出現(xiàn)的故障種類及原因分析如下：

（1）皮帶運(yùn)輸機(jī)撒料。皮帶運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中撒料一種原因是因?yàn)槠芷蛇厒€(gè)高低不平，造成皮帶上裝載的物料受側(cè)向力作用撒落出來(lái)。另一種原因是因?yàn)槭芟锏赖装迤鸱黄接绊?，皮帶在安裝過(guò)程中出現(xiàn)凹凸不平地段，皮帶張緊后造成凹段皮帶懸空，運(yùn)行過(guò)程中造成物料撒落。

（2）皮帶運(yùn)輸機(jī)跑偏。皮帶運(yùn)輸機(jī)跑偏即為皮帶的中心與皮帶支架中心不在一條中心線上的現(xiàn)象。皮帶跑偏一方面會(huì)造成撒料，需安排人工清料，增加投入；另一方面皮帶與皮帶支架長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生摩擦，造成皮帶邊緣磨損和皮帶架損傷，縮短了皮帶服務(wù)年限，同時(shí)會(huì)造成皮帶接頭處斷絲卷入皮帶支架中，從而引起皮帶撕裂，形成安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷帶事故發(fā)生。

（3）皮帶運(yùn)輸機(jī)異常噪音。皮帶運(yùn)輸機(jī)異常噪音是皮帶在運(yùn)行時(shí)其托輥、滾筒、電機(jī)或減速器等裝置在不正常時(shí)發(fā)生的異常響聲。主要表現(xiàn)有托輥嚴(yán)重偏心時(shí)的噪音、聯(lián)軸器兩軸不同心時(shí)的噪音、改向滾筒與驅(qū)動(dòng)滾筒的異常噪音、電機(jī)或減速器出現(xiàn)故障時(shí)的噪音等。

（4）皮帶運(yùn)輸機(jī)打滑。皮帶運(yùn)輸機(jī)打滑是皮帶在運(yùn)行過(guò)程中，皮帶與輥筒摩擦力不夠，造成皮帶與輥筒無(wú)法同步轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。造成皮帶打滑的原因主要有皮帶張緊力不夠，皮帶重載荷啟動(dòng)，皮帶沾水粘油、皮帶滾筒表面包膠磨損嚴(yán)重等造成皮帶與皮帶滾筒表面摩擦系數(shù)減小。

（5）皮帶運(yùn)輸機(jī)撕裂。皮帶運(yùn)輸機(jī)撕裂常見(jiàn)的主要有皮帶磨損嚴(yán)重造成皮帶強(qiáng)度降低造成斷裂；皮帶跑偏引起扯邊，輸送物料中夾雜的銳利、堅(jiān)硬的超長(zhǎng)物料造成皮帶刺穿；皮帶接頭處遭受大塊金屬物料或矸石的長(zhǎng)時(shí)間激烈沖擊，皮帶膠層破損，造成皮帶鋼芯斷絲，在長(zhǎng)期拉伸、承載的影響下鋼芯暴露出來(lái)被卷進(jìn)托輥、轉(zhuǎn)向滾筒等部件內(nèi)，隨皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)而被抽出造成皮帶撕裂。

圖1 皮帶運(yùn)輸機(jī)故障類型對(duì)比圖

根據(jù)全國(guó)煤礦各類皮帶故障類型的統(tǒng)計(jì)調(diào)查分析，從圖1中可以看出，皮帶跑偏目前在煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)發(fā)生的故障類型中所占比例最高。根據(jù)PLC技術(shù)特點(diǎn)，本文選取皮帶運(yùn)輸機(jī)故障類型占比最高且可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的前四項(xiàng)故障類型作為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

2 PLC故障報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)采用了微電子、計(jì)算機(jī)、通訊等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，其編程邏輯控制功能可以通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)工藝發(fā)生變更時(shí)，只需改變程序或變更一下接線端子就可以了。PLC系統(tǒng)具有可靠性高、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、通用性高、維護(hù)使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于煤礦井下生產(chǎn)條件復(fù)雜、環(huán)境較為惡劣的環(huán)境非常適用。設(shè)計(jì)將PLC控制系統(tǒng)單獨(dú)適用或者接入全礦井監(jiān)控系，作為皮帶運(yùn)輸機(jī)的控制中心，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、分析和報(bào)警。

2.1 故障報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1.1 工作原理

皮帶運(yùn)輸機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，PLC控制系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化，通過(guò)傳感器設(shè)備的配合，將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)被讀取未發(fā)現(xiàn)異常后，皮帶運(yùn)輸機(jī)開(kāi)始正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)完成皮帶運(yùn)行期間各類基礎(chǔ)參數(shù)的收集，并將收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與系統(tǒng)設(shè)定的安全值進(jìn)行分析對(duì)比，若反饋的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的安全值，控制系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)，并反饋故障類型及發(fā)生故障的區(qū)域。見(jiàn)圖2。

2.1.2 PLC編程設(shè)計(jì)

（1）編程語(yǔ)言選擇。PLC的編程標(biāo)準(zhǔn)有5種PLC編程語(yǔ)言，不同的商家的PLC采用不同的程序語(yǔ)言，其選擇是根據(jù)所選定的PLC決定，如西門子S7-300、S7-400等采用的編程軟件為STEP 7 V11-TIA Portal。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力設(shè)計(jì)。各類設(shè)備在運(yùn)行期間，通過(guò)控制系統(tǒng)不間斷的監(jiān)測(cè)反饋產(chǎn)生設(shè)備運(yùn)行的各類數(shù)據(jù)記錄，以固定時(shí)間為間隔向存儲(chǔ)空間輸送數(shù)據(jù)，因皮帶跨度大、運(yùn)行快，總體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量會(huì)很大，且在多臺(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。

（3）物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將PLC分為整體式PLC和模塊式PLC兩種類型，整體式又叫做單元式或箱體式，它的體積小、價(jià)格低，CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一個(gè)箱狀機(jī)殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，一般情況下，整體式被多用于小型PLC系統(tǒng)。模塊式PLC用搭積木的方式組成系統(tǒng)，它由機(jī)架和模塊組成，多被用于大中型PLC系統(tǒng)。

（4）扛干擾能力設(shè)計(jì)選擇?？垢蓴_能力強(qiáng)弱對(duì)PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要作用，雖然PLC抗干擾能力較強(qiáng)，但煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，電磁干擾較強(qiáng)，若安裝不當(dāng)可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤從而造成設(shè)備的失控和誤動(dòng)作。因此，在PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力選擇方面，一是選擇抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)備，另一方面，加強(qiáng)設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)管理，有效地提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖2 PLC故障報(bào)警控制系統(tǒng)工作流程圖

2.2 故障報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)在皮帶運(yùn)輸機(jī)相應(yīng)的位置安裝傳感器，在皮帶運(yùn)行期間，傳感器將監(jiān)測(cè)的數(shù)值實(shí)時(shí)向PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行輸送反饋，當(dāng)反饋的數(shù)據(jù)超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的安全值后，傳感器立即向控制系統(tǒng)反饋故障類型及發(fā)生的區(qū)域，并啟動(dòng)控制系統(tǒng)。

以皮帶運(yùn)輸機(jī)打滑故障為例，該故障監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：皮帶打滑→速度傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生→數(shù)據(jù)存儲(chǔ)→皮帶帶速模塊數(shù)據(jù)對(duì)比→超出安全值判定→皮帶打滑聲光報(bào)警（如圖3所示）。

圖3 皮帶打滑故障數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)硬件布置示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）PLC控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于皮帶運(yùn)輸機(jī)故障報(bào)警系統(tǒng)中，使皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性得到提高。按照應(yīng)用軟件中的故障呈現(xiàn)，操作人員能夠隨時(shí)糾正操作中的失誤，并且，快速地診斷出故障出現(xiàn)在哪里，提高了故障診斷及定位的準(zhǔn)確性，減少了故障診斷時(shí)間，減輕了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了人員工作效率和皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行效率。

（2）PLC系統(tǒng)具有使用靈活、通用性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、接口簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、體積小、功耗小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于煤礦井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，在減少人員投入、減少經(jīng)濟(jì)成本、提高工作效率、提高礦井自動(dòng)化水平等方面具有一定的推廣價(jià)值。