（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山西 030053）

1.PLC概述

PLC基本組成部分大致相同，主要由主機(jī)、I/O接口及外圍設(shè)備三部分構(gòu)成，其中PLC主機(jī)包括CPU、I/O接口、I/O擴(kuò)展接口、通信接口、外圍設(shè)備接口、存儲器及電源七部分。CPU也稱中央處理器，由控制器和微處理器組成，微處理器主要起到配合時序交換信息功能的作用，控制器主要起到將現(xiàn)場檢測采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯解釋為指令并讀取和執(zhí)行指令的作用；存儲器主要起到存儲系統(tǒng)程序、用戶數(shù)據(jù)、運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的作用，相較于隨機(jī)存取器的斷電丟失情況，煤礦PLC控制系統(tǒng)中常使用保持型存儲器來長時間存儲用戶程序；I/O接口主要起到將現(xiàn)場裝置與PLC進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的作用，包括輸入接口和輸出接口。I/O拓展接口利用扁平電纜與主機(jī)單元連接以增加I/O端子數(shù)到用戶所需數(shù)目；通信接口主要起到與監(jiān)視器等設(shè)備的連接通信作用；外圍設(shè)備接口主要起到與編程器、彩色圖像顯示器、傳感器等設(shè)備的連接作用；電源主要起到在整合、濾波和穩(wěn)壓處理過程后輸出符合工作需求的交、直流電壓的作用。

PLC是一種周期串行循環(huán)掃描的系統(tǒng)，其工作周期分為內(nèi)部處理、通信處理、輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新五個階段。當(dāng)PLC運(yùn)行開始，在內(nèi)部處理階段自診斷主機(jī)與模塊狀態(tài)并清除I/O接口緩存內(nèi)容，將PLC與外部設(shè)備進(jìn)行通訊連接并在通信處理階段檢測上位PLC的通信請求且掃描，在后續(xù)階段將通信信號轉(zhuǎn)換為外部執(zhí)行信號并在連接的外部設(shè)備中顯示出來。

2.皮帶運(yùn)輸機(jī)故障類型

（1）皮帶打滑。皮帶運(yùn)輸機(jī)的工作原理是依靠主動滾輪與皮帶之間的摩擦力來傳輸物料的，皮帶打滑這一故障形式表現(xiàn)為滾輪與皮帶無法實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動，主要體現(xiàn)形式為皮帶配重過輕；皮帶負(fù)載過重；皮帶的張緊裝置卡??；主動滾筒防滑膠嚴(yán)重磨損或主動滾筒表面潮濕，皮帶打滑能夠增加皮帶與滾筒之間的摩擦力，降低皮帶傳輸?shù)乃俣龋沟闷П砻鏈囟燃眲∩?，?yán)重情況下導(dǎo)致礦井火災(zāi)、爆炸、物料灑落等重大事故。皮帶打滑故障可歸結(jié)于張緊裝置的故障，采用重錘張緊的皮帶傳輸系統(tǒng)可以通過增加皮帶配重來降低皮帶打滑的風(fēng)險，采用液壓張緊和螺旋張緊的皮帶傳輸系統(tǒng)可以通過調(diào)整張緊行程來降低皮帶打滑的風(fēng)險。

（2）皮帶跑偏。皮帶運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)輸狀態(tài)是以中軸對稱U形皮帶覆于底部支架滾軸上載重運(yùn)行的，皮帶跑偏這一故障形式表現(xiàn)為離心力作用下的皮帶中軸偏離皮帶運(yùn)輸機(jī)中線偏向一側(cè)的情況，常出現(xiàn)于安裝和運(yùn)輸過程中，安裝過程中的皮帶跑偏常由于機(jī)架與地面安裝角度不垂直及皮帶滾輪兩側(cè)橡膠安裝不均導(dǎo)致，運(yùn)輸過程中的皮帶跑偏常由于以煤塊掉落不均為主的物料分布不均、以煤塊重量較大掉落產(chǎn)生的振動、皮帶張力松弛及煤塊濕度過高導(dǎo)致的滾筒和托輥粘著物料導(dǎo)致。

（3）皮帶撕裂。皮帶撕裂這一故障形式表現(xiàn)為橫向撕裂和縱向撕裂兩種，多發(fā)于滾軸處和皮帶接口處。皮帶跑偏撕裂是由于皮帶偏移量較大形成皮帶折疊導(dǎo)致受力不均造成的；皮帶抽芯撕裂是由于落料產(chǎn)生的外力沖擊導(dǎo)致的皮帶中鋼性繩斷裂并裸露最終卡在機(jī)架和托輥或纏繞在滾筒導(dǎo)致的；皮帶卡壓堵塞撕裂是由于物料連續(xù)接觸擠壓刮傷導(dǎo)致的；皮帶異物劃傷是由于落料中尖銳硬物導(dǎo)致的壓力性和穿透性劃傷；皮帶老化和超負(fù)荷長期運(yùn)轉(zhuǎn)也可能造成皮帶撕裂的狀況發(fā)生。針對皮帶撕裂這種故障要及時更換破損皮帶來降低皮帶撕裂的風(fēng)險。

（4）皮帶堆煤。皮帶堆煤這一故障形式表現(xiàn)為混有雜質(zhì)的物料的堆積，多發(fā)于轉(zhuǎn)載口和機(jī)頭機(jī)尾處。皮帶堆煤產(chǎn)生的主要原因包括皮帶運(yùn)輸機(jī)突然停機(jī)后的慣性導(dǎo)致物料堆積、煤礦中雜質(zhì)過大使通路堵塞導(dǎo)致雜質(zhì)堆積、皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動模式存在問題導(dǎo)致機(jī)頭位置物料堆積。皮帶堆煤故障會造成電動機(jī)負(fù)載急劇增大、皮帶打滑、滾輪空轉(zhuǎn)等事故的發(fā)生，嚴(yán)重時可導(dǎo)致皮帶斷裂、電機(jī)燒毀引起火災(zāi)的事故發(fā)生。針對皮帶堆煤這種故障要及時對堆煤位置進(jìn)行處理來降低連帶事故發(fā)生的概率。

（5）皮帶火災(zāi)事故。礦井火災(zāi)的發(fā)生主要是點(diǎn)火源、助燃物和可燃物三種因素的有機(jī)結(jié)合，其中助燃物為礦井下方空氣，可燃物為煤礦開采過程中產(chǎn)生的甲烷、煤塵顆粒物等混合氣體，點(diǎn)火源為高溫或電火花，三者的混合反應(yīng)會造成礦井下的瓦斯爆炸。高溫或電火花主要是由于皮帶打滑、皮帶堆煤、皮帶老化等情況導(dǎo)致的摩擦力增高產(chǎn)生的熱量急速聚集而無法得到散熱釋放而形成的，在達(dá)到一定的溫度值時，高溫或電火花點(diǎn)燃含有甲烷、煤塵顆粒物等混合氣體產(chǎn)生瓦斯爆炸。針對皮帶火災(zāi)事故要在系統(tǒng)中安裝溫度傳感器和煙霧傳感器及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并加以處置來降低皮帶火災(zāi)事故發(fā)生的概率。

3.PLC故障報警系統(tǒng)設(shè)計

(1)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路

本文所研究的皮帶傳輸故障報警系統(tǒng)由包括兩臺三相異步電機(jī)、兩條皮帶、兩部皮帶支架、傳感器、PLC接線箱、傳感器組成，皮帶運(yùn)輸故障報警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，上下皮帶支架高度分別為1.5m和1.2m，長度均為2m，皮帶底部與支架由螺栓進(jìn)行連接以便于高度的隨時調(diào)整以達(dá)到皮帶兩側(cè)水平放置的目的。兩臺三相異步發(fā)動機(jī)均選用山西防爆電機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的礦用隔爆型Y160M2-2發(fā)電機(jī)，其額定功率15kW，額定轉(zhuǎn)速2930rpm，兩條皮帶采用型號為PVG2000的帶速4m/s且運(yùn)輸能力為2000t/h的皮帶。兩臺三相異步電動機(jī)通過線路連接到三相電源中，該電路中包括啟動開關(guān)QF、停車開關(guān)RJ和繼電器KM，開關(guān)均采用型號為KBW的礦用隔爆開關(guān)，電機(jī)的接通線路設(shè)計如圖2所示。

圖1 皮帶運(yùn)輸故障報警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 PLC故障識別流程圖

傳感器的選擇遵循整體系統(tǒng)精度要求所需并考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的要求。監(jiān)測打滑故障信號的傳感器采用型號為GBH3.6D的速度傳感器，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到運(yùn)行速度超過閥值或出現(xiàn)短時間速度變化差值較大的情況，進(jìn)行報警。監(jiān)測斷帶故障信號的傳感器采用型號為YHZL-PY-20T的礦用張力傳感器，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到鋼絲繩拉力突然變化導(dǎo)致張力傳感器內(nèi)阻變化產(chǎn)生微小電流的情況，進(jìn)行報警。監(jiān)測跑偏故障信號的傳感器采用型號為KGE28的礦用跑偏傳感器，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到皮帶跑偏聯(lián)動的探桿角度偏移超出閥值的情況，進(jìn)行報警。監(jiān)測撕裂故障信號的傳感器采用型號為SL-∏的礦用撕裂傳感器，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異物刺穿皮帶造成撕裂的情況進(jìn)行判斷辨識，進(jìn)行報警。監(jiān)測火災(zāi)故障信號的傳感器采用型號為IRTP300L的紅外線溫度傳感器和型號為GQL0.1-Y的煙霧傳感器，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到皮帶過熱或皮帶由于打滑、堆煤冒煙的情況，進(jìn)行報警。地面機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)作為上位機(jī)安裝型號為研華ARK-3390的嵌入式工控機(jī)，以達(dá)到實(shí)時監(jiān)控皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的目的。

(2)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC運(yùn)輸控制故障報警系統(tǒng)的設(shè)計需要達(dá)到能夠響應(yīng)人機(jī)交互指令，提供實(shí)時參數(shù)與狀態(tài)并根據(jù)狀態(tài)進(jìn)行控制和故障處理的要求。本文涉及的軟件設(shè)計包括I/O地址分配及主程序和故障程序的設(shè)計，軟件程序的編寫使用西門子PLC S7-200編程軟件STEP7。其中I/O地址具體分配包括：AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、DI（數(shù)字量輸入）和DO（數(shù)字量輸出）。本文將I0.0-I0.6設(shè)置為電機(jī)啟動和停止端口，將I1.1-I1.4、M10.2、M10.3設(shè)置為皮帶跑偏信號端口，將I1.5、I2.0、M10.4、M10.5S設(shè)置為皮帶撕裂故障信號端口，將I2.1、I2.2、M10.6、M10.7設(shè)置為皮帶堆煤信號端口，將I2.3、M11.0設(shè)置為煙霧故障信號端口，將I2.4、M11.1設(shè)置為溫度故障信號端口。

PLC主程序主要能夠?qū)崿F(xiàn)全線啟動停止功能、分線路自動啟動停止功能和手動啟動和停止功能。其程序設(shè)置為按下啟動按鈕，蜂鳴器啟動并發(fā)生鳴叫，皮帶連續(xù)進(jìn)行啟動；按下停止按鈕，按照從1號皮帶機(jī)開始的順序已經(jīng)進(jìn)行停止操作。故障程序的設(shè)計體現(xiàn)在將傳感器檢測到的故障信號送達(dá)至PLC，并由內(nèi)部邏輯電路控制故障指示燈變亮、聲光報警、上位機(jī)主畫面故障指示燈變紅，皮帶隨機(jī)停止運(yùn)行，在遇到緊急情況下可通過拉線開關(guān)直接停止皮帶傳輸機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在操作人員對故障進(jìn)行排除后，按下復(fù)位按鈕對程序進(jìn)行重新啟動，形成完善的排障閉環(huán)管理。

4.結(jié)論

本文所研究的皮帶傳輸系統(tǒng)由包括兩臺三相異步電機(jī)、兩條皮帶、兩部皮帶支架、7個傳感器、PLC接線箱組成，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)傳感器感知到皮帶打滑、過熱、堆煤、斷裂的故障情況發(fā)生時，將感知到的故障信號傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)中，通過預(yù)先設(shè)置的PLC功能進(jìn)行停機(jī)保護(hù)并在上位機(jī)處顯示故障類型以滿足保護(hù)系統(tǒng)，降低風(fēng)險的目的。