煤礦井皮帶運(yùn)輸狀態(tài)檢測與事故預(yù)警系統(tǒng)研究

王艷輝WANG Yan-hui；翟力欣ZHAI Li-xin；張冬ZHANG Dong

（①山西約翰芬雷設(shè)計(jì)工程有限公司，南京 210031；②金陵科技學(xué)院，南京 211169）

0 引言

皮帶傳送作為一種重要的物料運(yùn)輸方式，具有軸間中心距離大、傳輸平穩(wěn)、設(shè)備價格低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。基于此，其在煤礦開采、冶金生產(chǎn)、水電、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭行業(yè)作為我國重要的能源產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。同時，得益于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的煤炭開采也更加專業(yè)化、機(jī)械化。近十年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，極大地刺激了煤炭工業(yè)的發(fā)展，使煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)在質(zhì)量和數(shù)量上都得到了改善。目前，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦企業(yè)的常用設(shè)備，也是提高煤炭生產(chǎn)效率的重要設(shè)備，PLC 技術(shù)在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和穩(wěn)定性，加快了煤炭運(yùn)輸速度，提高了煤炭開采效率，為企業(yè)創(chuàng)造了更好的利潤，也滿足了社會生產(chǎn)和人民生活對煤炭的需求。皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的運(yùn)輸工具，在煤礦和井下露天礦的生產(chǎn)過程中被廣泛應(yīng)用。

1 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

煤礦井皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)的煤礦井皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)用于對皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行控制與監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程啟停功能，同時還能對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，包括電機(jī)溫度、過載、過流、缺相等參數(shù)，控制與監(jiān)控能夠?qū)κ鹿蔬M(jìn)行及時預(yù)警，保護(hù)設(shè)備。主要設(shè)備包括傳送帶電機(jī)、溫度傳感器、電機(jī)綜合保護(hù)器、控制器等。皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)包括四臺傳送帶，傳送帶互相銜接，可以實(shí)現(xiàn)煤炭的長距離運(yùn)輸，傳送帶電機(jī)用于為傳送帶提供動力，使傳送帶能夠帶動煤炭移動。溫度傳感器安裝在傳送帶電機(jī)上，用于檢測電機(jī)的運(yùn)行溫度，當(dāng)溫度過高時可以發(fā)出報警信號，防止電機(jī)過熱損壞。電機(jī)綜合保護(hù)器用于檢測電機(jī)是否存在過載、缺相、過流等故障，當(dāng)發(fā)生故障時，故障信號引入控制器，控制器發(fā)出故障報警信號，并控制電機(jī)停止。

2 控制系統(tǒng)的硬件選型

2.1 PLC 選型

PLC 系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行選擇，同時還要求預(yù)留一定的余量，一般情況下為總點(diǎn)數(shù)的百分之二十左右。本次系統(tǒng)的PLC 型號選擇為西門子S7-200 系列，CPU 選擇CPU226，具有24 個數(shù)字量輸入點(diǎn)和16 個數(shù)字量輸出點(diǎn)，模擬量模塊選擇EM231，具有4 路模擬量輸入點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要23 個數(shù)字量輸入點(diǎn)和13 個數(shù)字量輸出點(diǎn)，3 個模擬量輸入點(diǎn)，選擇的型號滿足系統(tǒng)要求，且具備一定余量，便于后期功能擴(kuò)展。

2.2 硬件選型設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)功能和接線圖，統(tǒng)計(jì)所需的硬件，并對其進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，主要包括按鈕、溫度傳感器、指示燈、接觸器、熔斷器、電機(jī)綜合保護(hù)器等，如表1 所示。

表1 硬件選型

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程

編寫程序前，首先根據(jù)控制方案繪制控制流程圖，如圖2 所示。

圖2 控制流程圖

具體控制功能如下：

按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，啟動指示燈亮；

按下停止按鈕，系統(tǒng)停止，啟動指示燈滅；

系統(tǒng)故障時，故障指示燈亮，系統(tǒng)自動停止；

按下手動按鈕，進(jìn)入手動模式，手動指示燈亮，手動控制各個傳送帶啟停；

按下自動按鈕，進(jìn)入自動模式，自動指示燈亮。

自動模式時，按下自動開關(guān)，傳送帶系統(tǒng)啟動，傳送帶啟動時應(yīng)順序逐級啟動，停止時逆序逐級停止，防止傳送帶上的煤炭堆積導(dǎo)致單臺傳送帶負(fù)載過大，從而發(fā)生故障。按下自動開關(guān)，首先傳送帶1 啟動，延時10S 后傳送帶2 啟動，延時10S 后傳送帶3 啟動，延時10S 后傳送帶4啟動，抬起自動開關(guān)，傳送帶4 停止，延時10S 后傳送帶3停止，延時10S 后傳送帶2 停止，延時10S 后傳送帶1 停止。

當(dāng)任意傳送帶發(fā)生過載和缺相故障時，所有傳送帶停止，故障指示燈亮。當(dāng)任意傳送帶發(fā)生過流故障時，過流報警燈亮，對傳送帶的報警指示燈亮，提醒人員現(xiàn)場檢修，如確實(shí)發(fā)生故障時，手動停止傳送帶并檢修。當(dāng)任意傳送帶電機(jī)溫度大于70℃時，對應(yīng)傳送帶報警指示燈亮，上位機(jī)電機(jī)溫度報警燈亮。當(dāng)電機(jī)溫度大于80℃時，對應(yīng)傳送帶故障指示燈亮，上位機(jī)電機(jī)過熱故障燈亮，所有傳送帶停止。

PLC 程序編寫分為系統(tǒng)啟停程序、數(shù)據(jù)處理程序、報警程序、手動控制程序、自動控制程序等部分。

3.2 MCGS 程序編寫

繪制組態(tài)畫面，選擇文字功能用于繪制標(biāo)題，選擇按鈕功能用于繪制操作按鈕，選擇圓角矩形用于繪制操作底板等，選擇圖庫功能用于插入傳送帶設(shè)備，選擇圖庫中的指示燈功能用于插入指示燈。繪制完成后的界面如圖3 所示。

圖3 最終畫面

隨后開始將變量與各個按鈕、圖形進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如啟動按鈕與啟動變量關(guān)聯(lián)，在命令語言連接的按下時中寫入“啟動=1”，即當(dāng)按下啟動按鈕時，啟動變量變?yōu)? 狀態(tài)。如圖4 所示。

圖4 命令語言

4 系統(tǒng)調(diào)試

在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時，首先將PLC 程序下載進(jìn)PLC，編程電纜選擇PPI 編程電纜，下載完成后根據(jù)電氣原理圖進(jìn)行接線，并通過電腦監(jiān)控PLC 程序的運(yùn)行，找出運(yùn)行中出現(xiàn)的問題并進(jìn)行糾正，最終實(shí)現(xiàn)控制要求的功能。程序下載完成后，開始進(jìn)行仿真調(diào)試，首先進(jìn)行啟停程序的仿真，按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，啟動指示燈亮，如圖5 所示。

圖5 啟動程序仿真

然后進(jìn)入手動模式，按下手動按鈕時，手動指示燈亮。（圖6）

圖6 進(jìn)入手動模式

手動模式時，按下傳送帶3 和傳送帶4 的手動啟動按鈕，傳送帶3 和傳送帶4 手動啟動，按下停止按鈕時，傳送帶3 和傳送帶4 手動停止。（圖7）

圖7 手動控制程序

手動模式時，傳送帶3 啟動后，模擬缺相故障時，缺相故障指示燈亮，傳送帶3 自動停止，傳送帶4 不受影響。（圖8）

圖8 手動模式故障演示

手動模式時，傳送帶3 啟動后，模擬過流報警和溫度報警時，按下過流按鈕，過流報警指示燈亮，溫度檢測為77 攝氏度，超過報警溫度70 攝氏度，溫度報警指示燈亮。由于故障不屬于必須停機(jī)的故障，根據(jù)控制方案要求，發(fā)出報警信號，傳送帶不停止。仿真圖如圖9 所示。

圖9 手動模式報警演示

然后自動模式時，自動指示燈亮，按下自動開關(guān)按鈕，傳送帶從1-4 依次啟動。（圖10）

圖10 自動模式啟動

自動模式需要傳送帶停止時，關(guān)閉自動開關(guān)，此時傳送帶依次停止。

圖11 仿真過程顯示圖

自動模式且傳送帶啟動后，當(dāng)檢測到過載、缺相或高溫故障時，傳送帶自動停止。

5 總結(jié)

本文主要是對煤礦井皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，煤礦井皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，采用MCGS 作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，具有智能化程度高，控制精確，穩(wěn)定性好，便于檢修，作業(yè)效率高等特點(diǎn)，極大地提高了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的自動化水平，具有很好的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)價值。