基于PLC 控制策略的皮帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)設(shè)計

李 東

（山西焦煤西山煤電西曲礦通風(fēng)監(jiān)測監(jiān)控隊， 山西 古交 030200）

引言

現(xiàn)如今，人們的生活水平在日益提高，其在加大了資源損耗的同時，要求煤炭的出采量也不斷加大，從而致使煤礦企業(yè)朝著智能化、自動化的方向不斷發(fā)展。作為煤炭企業(yè)的重要運(yùn)輸設(shè)備，皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定與否決定了施工人員的安全及煤炭的生產(chǎn)效率[1]。近年來，智能控制技術(shù)不斷發(fā)展，也為井下皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計提供了一定的技術(shù)理論?；谏轿髂车V皮帶輸送機(jī)在工作時存在工作效率低、安全性能得不到保障以及能源消耗較高等問題，本文進(jìn)行了基于PLC 控制策略的皮帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計，并將其應(yīng)用到實際中加以驗證。該系統(tǒng)的應(yīng)用將設(shè)備的智能化程度進(jìn)一步提高，可以說對煤炭企業(yè)的安全高效生產(chǎn)起到了很好的作用。

1 皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

作為井下關(guān)鍵的運(yùn)輸設(shè)備，皮帶輸送機(jī)經(jīng)歷了一代代改革，已經(jīng)逐漸發(fā)展為多個方向，在各個生產(chǎn)領(lǐng)域都可以見到它的身影。與國內(nèi)相比，國外的專家學(xué)者在該項目上的技術(shù)研究可謂是非常先進(jìn)，特別是就控制技術(shù)而言，可靠性良好。

然而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也取得了一定的成績，目前國內(nèi)的皮帶輸送機(jī)大多朝著自動化的方向發(fā)展，因其具有設(shè)備的自動化及工人的遠(yuǎn)程控制而在煤礦中得到了廣泛的應(yīng)用。但在實際應(yīng)用中也暴露出許多的問題，大致分為以下幾方面：一是即使控制系統(tǒng)中引入了自動化技術(shù)，但是其功能較為簡單，有些僅限于對井下設(shè)備的啟?？刂?。一旦出現(xiàn)設(shè)備的過載、過熱運(yùn)行等現(xiàn)象，絕大部分設(shè)備中的控制系統(tǒng)還不具備對該類問題的監(jiān)測預(yù)警功能，同時也未安裝保護(hù)裝置[2]；二是設(shè)備在運(yùn)行時，會出現(xiàn)異常的振動現(xiàn)象，如共振等，這是對設(shè)備有損害的，目前的設(shè)備還不存在對該類現(xiàn)象的識別檢測功能，其會影響設(shè)備的使用壽命及生產(chǎn)效率。因此，要想將國內(nèi)的控制技術(shù)趕上國外，要設(shè)計一套先進(jìn)的皮帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)就顯得十分必要。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

針對山西某煤炭企業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)存在的問題，根據(jù)工作效率、運(yùn)行穩(wěn)定性及能源消耗等方面展開了對控制系統(tǒng)方案的設(shè)計，其具體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

觀察圖1 可以發(fā)現(xiàn)，在控制系統(tǒng)中，主要結(jié)構(gòu)包括控制主站、上位機(jī)和控制分站。井下各帶式輸送機(jī)之間的信息交換通過工業(yè)以太網(wǎng)完成。此外，所設(shè)計的集控系統(tǒng)還包括控制裝置、傳輸網(wǎng)絡(luò)、地面集控室等，在一些死角及監(jiān)控位置都設(shè)計了監(jiān)控器，同時對井下的所有皮帶輸送機(jī)增設(shè)了安全關(guān)閉或自動啟停功能。在地面集控系統(tǒng)中心中還設(shè)有上位機(jī)，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)對井下的所有皮帶輸送機(jī)進(jìn)行集中管理和遠(yuǎn)程監(jiān)視。為進(jìn)一步對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行精確化處理，使在井下的控制分臺中的所有電器元件均選用具有耐爆功能的本安型，以及相應(yīng)的傳感器設(shè)備，從而實現(xiàn)了監(jiān)控皮帶中物料傳輸情況的目的。與此同時，為能使今后的系統(tǒng)升級和維修工作良好地開展，將原本設(shè)計方案列為了可擴(kuò)展性的開放體系結(jié)構(gòu)[3]。

3 硬件分系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 PLC 控制器

綜合考慮實際情況中皮帶輸送機(jī)的工作情況，從而確定了PLC 控制器的規(guī)格。在該控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用了9 個PLC 控制器，其中主皮帶機(jī)PLC 控制器采用S7-300 型號的控制器，剩下的都采用S7-200 型號的控制器。

在國內(nèi)的各行各業(yè)中，應(yīng)用范圍最廣的是S7-300 PLC 控制器，它配備了處理能力較強(qiáng)的中央處理模塊，完全可以實現(xiàn)對井下皮帶輸送機(jī)集中控制的目的。此外，該型號的控制器還具備抵御干擾的能力強(qiáng)、運(yùn)算能力較強(qiáng)及兼容性較好等優(yōu)點，足以應(yīng)對井下惡劣的工作環(huán)境，使皮帶輸送機(jī)的集中控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定地運(yùn)行。

3.2 井下控制分站

要應(yīng)對井下的生產(chǎn)連續(xù)作業(yè)，就要根據(jù)功能進(jìn)行主站及分站的區(qū)分，其中主站的任務(wù)是對井下各個分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理及調(diào)節(jié)，而分站則具備自身的獨(dú)立控制性能，在控制分站下達(dá)相關(guān)命令后，可以對皮帶輸送機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，進(jìn)而控制。此外，為了保障井下設(shè)備的安全運(yùn)行，還采用了具有保護(hù)作用的各種傳感器，具體工作是對井下設(shè)備工作環(huán)境中的工作電流、輸送帶壓力、振動頻率、設(shè)備溫度等參數(shù)進(jìn)行采集并上傳。如圖2 所示，為井下各個控制分站的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 井下各個分站結(jié)構(gòu)圖

4 軟件程序的設(shè)計

4.1 系統(tǒng)的主程序

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)主程序的操作通過PLC 編程語言實現(xiàn)，如圖3 所示，是帶式輸送機(jī)主程序的控制流程圖。

圖3 系統(tǒng)主控制程序流程

從圖3 中可看出，PLC 軟件系統(tǒng)的主要功能有控制系統(tǒng)的初始化工作、設(shè)備故障的自動檢測和控制系統(tǒng)的主程序管理等。然而，控制系統(tǒng)的主控制進(jìn)度管理則包含許多子程序，內(nèi)容主要涉及對輸入與輸出信息的管理、對控制模塊的選擇、對裝置的啟停管理、對裝置工作的速度管理和對自身故障的保護(hù)等。主程序的主要任務(wù)是對各個子程序之間的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便于系統(tǒng)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時收集，在經(jīng)由處理后將其反饋到地面的集控中心。此外，工作人員可以依照收集的參數(shù)信息對其進(jìn)行調(diào)整與控制，來完成皮帶輸送機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控工作。

4.2 綜合保護(hù)系統(tǒng)

圖4 為皮帶輸送機(jī)的綜合保護(hù)系統(tǒng)，具體的作用是實現(xiàn)煤礦井下皮帶機(jī)的安全可靠運(yùn)行。觀察圖4 可以發(fā)現(xiàn)，該綜合保護(hù)系統(tǒng)可以應(yīng)對多種故障現(xiàn)象，如過載運(yùn)行、溫度過高、膠帶跑偏等，經(jīng)由相應(yīng)的傳感器來實時監(jiān)控并發(fā)出警報，PLC 控制器會依據(jù)其嚴(yán)重程度，進(jìn)而對設(shè)備運(yùn)行發(fā)出制動指令。

5 應(yīng)用效果分析

基于山西某煤礦企業(yè)煤炭的生產(chǎn)需求，將井下皮帶輸送機(jī)的控制系統(tǒng)作了一系列的改進(jìn)，完成了從總體方案到硬件系統(tǒng)，再到軟件系統(tǒng)的設(shè)計。為了驗證設(shè)計的控制系統(tǒng)的合理性及可靠性，把它應(yīng)用到現(xiàn)有的皮帶輸送機(jī)中。通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)不但可以穩(wěn)定運(yùn)行，還能完成對井下各個皮帶輸送機(jī)的集中控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。根據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計，在使用該控制系統(tǒng)之后，皮帶輸送機(jī)不僅可以可靠地運(yùn)行，還具備了速度調(diào)節(jié)的功能，與之前相比，可以節(jié)省大約1/10 的能源。此外，在設(shè)備的啟動過程中，也較原來有了更好的平穩(wěn)性，并且該過程可以經(jīng)由工作人員遠(yuǎn)程操控，減少了2～3 名一線作業(yè)人員的派遣數(shù)量，為井下少人化發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用還降低了煤炭開掘的成本，為煤炭企業(yè)增加了利潤，平均每年可增加100 萬元的直接經(jīng)濟(jì)收益。