李 東

（山西焦煤西山煤電西曲礦通風(fēng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控隊(duì)， 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(shí)，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(dòng)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(jì)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(shí)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(jì)，并將其應(yīng)用到實(shí)際中加以驗(yàn)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(duì)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(gè)方向，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域都可以見到它的身影。與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外的專家學(xué)者在該項(xiàng)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(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也取得了一定的成績(jī)，目前國(guó)內(nèi)的皮帶輸送機(jī)大多朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展，因其具有設(shè)備的自動(dòng)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(shí)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(dòng)化技術(shù)，但是其功能較為簡(jiǎn)單，有些僅限于對(duì)井下設(shè)備的啟?？刂啤Ｒ坏┏霈F(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(duì)該類問題的監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，同時(shí)也未安裝保護(hù)裝置[2]；二是設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)異常的振動(dòng)現(xiàn)象，如共振等，這是對(duì)設(shè)備有損害的，目前的設(shè)備還不存在對(duì)該類現(xiàn)象的識(shí)別檢測(cè)功能，其會(huì)影響設(shè)備的使用壽命及生產(chǎn)效率。因此，要想將國(guó)內(nèi)的控制技術(shù)趕上國(guó)外，要設(shè)計(jì)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(jì)方案

針對(duì)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(duì)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，其具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)了監(jiān)控器，同時(shí)對(duì)井下的所有皮帶輸送機(jī)增設(shè)了安全關(guān)閉或自動(dòng)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(duì)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(duì)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(tái)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(shí)現(xiàn)了監(jiān)控皮帶中物料傳輸情況的目的。與此同時(shí)，為能使今后的系統(tǒng)升級(jí)和維修工作良好地開展，將原本設(shè)計(jì)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(jì)

3.1 PLC 控制器

綜合考慮實(shí)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(gè)PLC 控制器，其中主皮帶機(jī)PLC 控制器采用S7-300 型號(hào)的控制器，剩下的都采用S7-200 型號(hào)的控制器。

在國(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)井下皮帶輸送機(jī)集中控制的目的。此外，該型號(hào)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(diǎn)，足以應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)井下各個(gè)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(duì)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(duì)井下設(shè)備工作環(huán)境中的工作電流、輸送帶壓力、振動(dòng)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(gè)控制分站的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 井下各個(gè)分站結(jié)構(gòu)圖

4 軟件程序的設(shè)計(jì)

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(shí)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(dòng)檢測(cè)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(duì)輸入與輸出信息的管理、對(duì)控制模塊的選擇、對(duì)裝置的啟停管理、對(duì)裝置工作的速度管理和對(duì)自身故障的保護(hù)等。主程序的主要任務(wù)是對(duì)各個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)控并發(fā)出警報(bào)，PLC 控制器會(huì)依據(jù)其嚴(yán)重程度，進(jìn)而對(duì)設(shè)備運(yùn)行發(fā)出制動(dòng)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(jì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(yàn)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(duì)井下各個(gè)皮帶輸送機(jī)的集中控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，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(dòng)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(rùn)，平均每年可增加100 萬元的直接經(jīng)濟(jì)收益。