寇振捷

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

引言

礦用帶式輸送機(jī)作為煤礦開采運輸中的關(guān)鍵設(shè)備，經(jīng)常有大量煤灰聚集、設(shè)備超載作業(yè)、電機(jī)燒壞、設(shè)備作業(yè)溫度過高等問題，加上當(dāng)前設(shè)備控制系統(tǒng)功能較為單一，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對較弱，已無法滿足當(dāng)前井下高強(qiáng)度煤礦輸送控制的作業(yè)需求。因此將更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到該設(shè)備中，實現(xiàn)輸送機(jī)控制性能及作業(yè)效率的提升研究，已成為當(dāng)前設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)的重要方向[1-2]。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)分析

帶式輸送機(jī)作為井下煤礦開采中的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括皮帶、導(dǎo)向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機(jī)等組成，所開采的煤炭通過刮板輸送機(jī)將其輸送至皮帶上，在電機(jī)的動力帶動作用下，帶動皮帶向前移動，以實現(xiàn)將煤礦運輸至礦井外面[3]。

當(dāng)前，煤礦中的帶式輸送機(jī)主要采用滾筒式結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的繼電器或單片機(jī)進(jìn)行簡單的作業(yè)操作和控制，在運行過程中存在控制功能單一、性能穩(wěn)定性較差等問題[4]；同時，當(dāng)前控制系統(tǒng)只能基本實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)、作業(yè)溫度等現(xiàn)場檢測和控制，無法通過遠(yuǎn)程方式對其進(jìn)行控制，控制邏輯及故障報警功能等也基本未設(shè)計。由于井下環(huán)境的惡劣加上井下信號的干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)脑O(shè)備信號受到較為嚴(yán)重的干擾，穩(wěn)定性較差[5]。因此，將當(dāng)前成熟的自動化遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)的控制中，成為當(dāng)前發(fā)展的重點。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點及控制系統(tǒng)存在問題，開展了控制系統(tǒng)的升級設(shè)計研究。所設(shè)計的控制系統(tǒng)包括了控制主站和8個分站，其中，主站包括了操作臺、上機(jī)位、顯示界面、PLC控制器、觸摸屏、執(zhí)行元件、分站控制臺等組成，主要負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算和邏輯判斷，而PLC控制器則選用了西門子的S7-300型，能有效保證整個井下作業(yè)的控制需求；系統(tǒng)分站則主要負(fù)責(zé)對皮帶、電機(jī)等進(jìn)行速度、溫度、電機(jī)發(fā)熱等信號的數(shù)據(jù)采集、信號傳輸以及就地控制，屬于系統(tǒng)的終端部分，主站與分站之間主要通過RS485通訊接口進(jìn)行信號傳輸，通訊技術(shù)則充分利用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的通訊搭建[6]。在系統(tǒng)的底端，配備了速度傳感器、溫度傳感器、托輥磨損檢測儀、電機(jī)振動傳感器、功率檢測儀等儀器，以實現(xiàn)對設(shè)備作業(yè)狀態(tài)參數(shù)的實時檢測。

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計

3.1 PLC控制器的選型設(shè)計

根據(jù)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)運行特點，選用了西門子的S7-300型PLC控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制。該控制器主要包括了CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、I/O模塊等組成，系統(tǒng)內(nèi)部信號主要通過RS485進(jìn)行通訊連接。通過該控制器能將檢測單元所采集的帶式輸送機(jī)的運行速度信號、電機(jī)啟停信號、電磁閥開關(guān)信號、皮帶輸送信號等進(jìn)行實時數(shù)據(jù)收集，并將采集的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過內(nèi)部的專門控制算法，對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析、判斷及處理，經(jīng)過處理后的信號傳輸至上機(jī)位顯示界面進(jìn)行控制信息的實時顯示及對帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制。另外，該控制器采用了DC24V和DC12V電源進(jìn)行內(nèi)部供電控制。S7-300型PLC控制器如下頁圖1所示。

圖1 S7-300型PLC控制器

3.2 輸出模塊設(shè)計

在整個控制系統(tǒng)中，設(shè)計了一套專門的輸出模塊，以實現(xiàn)控制命令的信號輸出。此輸出模塊采用了QY10型輸出模塊，信號輸出點包括了閘電機(jī)的開停、電磁閥、故障報警等、井上/下集控、指示燈等端口，并預(yù)留了7個備用點。在該模塊中，利用了1KA-5KA中間繼電器來實現(xiàn)灑水電磁閥的常開接點控制。同時，利用SB10啟動按鈕和3 kA中間繼電器來解決模塊無法實時啟動的問題，有效保證了模塊的運行可靠性。另外，帶式輸送機(jī)的啟動則是通過3 kA常開接點的閉合，通過線纜方式將D3和D4點接入到軟啟動器中，以此保證帶式輸送機(jī)能正常啟動。為提高模塊的可靠性，也設(shè)計了SB4按鈕來實現(xiàn)手動啟動操作?？刂葡到y(tǒng)輸出模塊電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)輸出模塊電路圖

3.3 控制界面設(shè)計

根據(jù)帶式輸送機(jī)的現(xiàn)場作業(yè)情況，對整個控制系統(tǒng)的控制界面進(jìn)行了設(shè)計。該界面包括了狀態(tài)顯示功能、不同區(qū)域帶式輸送機(jī)位置、啟停控制按鈕等功能，能通過控制主界面對帶式輸送機(jī)的啟停、作業(yè)溫度、傳動速度、運行情況及出現(xiàn)的故障狀態(tài)進(jìn)行實時顯示；同時，通過該界面能實現(xiàn)對設(shè)備停機(jī)、電磁閥啟停、電機(jī)啟停轉(zhuǎn)動等方面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，由此全面實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運行狀態(tài)的全面監(jiān)控和控制，控制系統(tǒng)控制界面如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)控制界面圖

3.4 系統(tǒng)順序啟動程序設(shè)計

帶式輸送機(jī)的啟停需要安裝相應(yīng)的控制邏輯順序進(jìn)行控制，故需利用西門子PLC中的step7軟件對系統(tǒng)順序啟停進(jìn)行梯形圖邏輯程序設(shè)計。在該程序中，包括了內(nèi)部觸發(fā)繼電器M1、時間繼電器T1、定時器T4、啟停按鈕X45等組成，通過內(nèi)部的Y72輸出信號，能快速接通3KA繼電器電路，繼電器得電后，常開節(jié)點閉合，軟啟動器在接收啟動信號后，能向控制系統(tǒng)的主電路、電機(jī)等發(fā)出啟動信號，使其處于啟動狀態(tài)。系統(tǒng)順序啟動部分梯形程序圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)順序啟動部分梯形程序圖

4 應(yīng)用效果評價

在完成控制系統(tǒng)的總體設(shè)計后，為進(jìn)一步驗證該系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。在系統(tǒng)運行過程中，主要將該系統(tǒng)集成在某煤礦中DTIIA型帶式輸送機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用測試，測試周期為6個月。在測試過程中，該控制系統(tǒng)運行良好，與同類型的原有設(shè)備相比，作業(yè)穩(wěn)定性更高，設(shè)備運行時的井下瓦斯?jié)舛?、溫度、速度、設(shè)備啟停狀態(tài)、電機(jī)運行情況等也能通過控制主界面和分界面進(jìn)行實時顯示，當(dāng)設(shè)備作業(yè)溫度或其他參數(shù)發(fā)生異常變化時，該系統(tǒng)也能及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示，通過聲光報警形式進(jìn)行顯示，同時根據(jù)故障的嚴(yán)重程度自主判斷后來自動切斷主控電源，所產(chǎn)生的故障類型及故障發(fā)生位置也通過顯示界面進(jìn)行了顯示。整個控制過程，只需人員在監(jiān)控室對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作，人員無需進(jìn)入井下現(xiàn)場，人員根據(jù)故障位置進(jìn)行快速檢修，大大提高了故障排除效率，提高了設(shè)備的自動化遠(yuǎn)程控制水平，整體運行情況達(dá)到了預(yù)期效果。