張?bào)w蒙，陳 光，劉慶偉

（山東能源集團(tuán)兗礦能源股份有限公司東灘煤礦，山東 濟(jì)寧 273500）

0 引言

在礦井煤炭運(yùn)輸中，煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)是最為重要的設(shè)備之一，通過應(yīng)用該設(shè)備能快速的將開采的煤炭從礦井中運(yùn)出，降低了人力資源投入，并節(jié)約了大量時(shí)間，保證了開采量。但由于長(zhǎng)期使用，一些皮帶運(yùn)送機(jī)會(huì)出現(xiàn)不同程度的問題，而通過引入PLC 控制系統(tǒng)，采用PLC 作為煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)的控制核心，能極大程度的提升系統(tǒng)的可靠性以及工作效率，減少設(shè)備出現(xiàn)故障的概率，降低工作人員的工作量，對(duì)于保證采煤效率和采煤安全有著重要的作用。

1 PLC 可編程邏輯控制器概述

PLC 控制系統(tǒng)是一種以微型處理器為基礎(chǔ)核心來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)，由于其結(jié)合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制集1/4 控技術(shù)和信息化技術(shù)，使得其具有體積小、操作便捷、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高、功能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)如今該系統(tǒng)已經(jīng)被大量使用于工業(yè)生產(chǎn)之中，采礦業(yè)自然也是重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。

PLC 系統(tǒng)軟件采用的是梯形圖編程，其具有模塊化特點(diǎn)，這使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的獨(dú)立功能性。當(dāng)工作人員啟動(dòng)設(shè)備后，首先要對(duì)設(shè)備情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)確定設(shè)備處于正常狀態(tài)時(shí)，設(shè)備就會(huì)正常啟動(dòng)，如果出現(xiàn)異常，設(shè)備就會(huì)轉(zhuǎn)入其他相應(yīng)的功能之中。設(shè)備還設(shè)置有急停按鈕，只要按下急停按鈕就能讓設(shè)備完全停下，并且該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程操作功能，只需要在遠(yuǎn)程工作站中設(shè)定相應(yīng)的條件，就能對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制[1]。

2 PLC 系統(tǒng)的主要功能

PLC 系統(tǒng)需要設(shè)置大量的功能，才能確保系統(tǒng)發(fā)揮實(shí)際效果。當(dāng)將該系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦膠帶輸送機(jī)上時(shí)，能滿足皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)和皮帶運(yùn)輸保護(hù)系統(tǒng)2 個(gè)方面的現(xiàn)場(chǎng)功能實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)的重點(diǎn)是對(duì)操控系統(tǒng)進(jìn)行整合，通過構(gòu)建完整統(tǒng)一的控制系統(tǒng)來幫助工作人員更好地對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理控制，其工作方式一般被分為自動(dòng)狀態(tài)和維修狀態(tài)。在建立控制系統(tǒng)后，工作人員可以在總控臺(tái)通過幾個(gè)開關(guān)輕易的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停、改變?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等行為。而保護(hù)系統(tǒng)則能對(duì)煤礦膠帶輸送機(jī)實(shí)施六大保護(hù)，一旦出現(xiàn)了堆煤、煙霧、跑偏等動(dòng)作時(shí)，皮帶就能迅速識(shí)別隨后自動(dòng)停止，這能極大程度的保證人員和設(shè)備的安全，避免出現(xiàn)故障和意外，保證采煤安全和采煤效率。

通過該系統(tǒng)，相關(guān)管理人員能更好的對(duì)設(shè)備情況進(jìn)行監(jiān)控，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，維修人員能及時(shí)通過系統(tǒng)找到故障位置和故障原因，并快速維修。同時(shí)因系統(tǒng)會(huì)通過傳感器對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，相關(guān)管理人員能通過計(jì)算機(jī)來對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和了解，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，這對(duì)于發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常、分析設(shè)備運(yùn)行情況等具有良好的效果。如，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，相關(guān)人員就能利用數(shù)據(jù)來對(duì)設(shè)備情況進(jìn)行分析，例如根據(jù)多次設(shè)備數(shù)據(jù)顯示，每運(yùn)行超過1000h，設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)一次過熱故障時(shí)，相關(guān)工作人員就可以在之后采取相應(yīng)措施，在設(shè)備運(yùn)行到900h的時(shí)候?qū)⒃O(shè)備暫時(shí)關(guān)閉并進(jìn)行維護(hù)，從而避免設(shè)備發(fā)生故障，將設(shè)備運(yùn)行安全問題從根源上解決。

PLC 系統(tǒng)不僅會(huì)對(duì)煤礦膠帶輸送機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)，同時(shí)也會(huì)對(duì)自身系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)掃描儀、適配器或是其他部件出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)迅速掃描并判斷故障，隨后會(huì)及時(shí)報(bào)警并停止設(shè)備運(yùn)行，相關(guān)管理人員就能盡快對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修[2]。

3 PLC 在煤礦膠帶輸送機(jī)中的工作原理

在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，PLC 系統(tǒng)首先會(huì)進(jìn)行初始化處理，并根據(jù)開采的實(shí)際需求選擇更加適用的對(duì)策控制模式。當(dāng)設(shè)備處在自動(dòng)控制狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，設(shè)備中的PLC保護(hù)系統(tǒng)會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)會(huì)將輸出電流、運(yùn)行速度、軸承溫度、油溫等基礎(chǔ)參數(shù)，并通過變頻控制器進(jìn)行控制。而隨后PLC 控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理，一旦出現(xiàn)過載情況時(shí)，變頻控制器就會(huì)自動(dòng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行改變和調(diào)整。PLC 系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 PLC 系統(tǒng)的工作原理

PLC 控制系統(tǒng)有著兩種控制方式，地面集控和人工就地控制。

地面集控又被細(xì)分為地面遠(yuǎn)控集中控制和地面自動(dòng)集中控制，通過在膠帶輸送機(jī)的機(jī)頭安裝集控操作臺(tái)，就可通過操作臺(tái)來遠(yuǎn)程或就地對(duì)膠帶運(yùn)送機(jī)進(jìn)行操作管理，當(dāng)啟用遠(yuǎn)程功能時(shí)，地面集控工作人員只需要在操作時(shí)，使用計(jì)算機(jī)來遠(yuǎn)程啟動(dòng)膠帶運(yùn)送機(jī)，極大的便捷了工作。同時(shí)，由于遠(yuǎn)程操作的加入，還可以在膠帶運(yùn)送機(jī)中加入聯(lián)合閉鎖，讓膠帶運(yùn)送機(jī)實(shí)現(xiàn)逆煤流開、順煤流停，并且同時(shí)操作人員還能在操作室中通過聯(lián)合閉鎖來實(shí)現(xiàn)對(duì)全部設(shè)備更好的操作。

人工就地控制是指井下操作司機(jī)、相關(guān)檢修人員都可以通過膠帶運(yùn)送機(jī)機(jī)頭的控制系統(tǒng)來控制設(shè)備的運(yùn)行。當(dāng)膠帶運(yùn)送機(jī)為就地模式時(shí)，集控室的操作人員就無法對(duì)該膠帶運(yùn)送機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，必須要到井下機(jī)頭上親自操控該膠帶運(yùn)送機(jī)，該方法一般適用于對(duì)該設(shè)備進(jìn)行修復(fù)和檢查時(shí)使用[3]。

4 基于PLC 的煤礦膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)與控制要求

4.1 整體方案設(shè)計(jì)

PLC 系統(tǒng)在運(yùn)行中主要存在3 種操作方式，中央自動(dòng)控制、人機(jī)共同控制和機(jī)旁人工控制，但這3 種控制方式都需要借助轉(zhuǎn)換開關(guān)才能得以實(shí)現(xiàn)。

中央自動(dòng)控制方式是指工作人員能夠在中央控制室對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，其具體的操作步驟是工作人員通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將設(shè)備的運(yùn)行管理方式從手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)，在這種模式中，管理人員可以利用轉(zhuǎn)壞開關(guān)把狀態(tài)信息通過干接點(diǎn)形式輸送到PLC 系統(tǒng)之中，這些信息就會(huì)經(jīng)過電腦處理顯示在中央控制室的顯示器上，操作者就能通過顯示器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了解。

人機(jī)共同控制則是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的自動(dòng)控制，一般在對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，或是中央自動(dòng)控制存在問題時(shí)使用。

機(jī)旁人工控制則完全是手動(dòng)控制，當(dāng)對(duì)設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、維修時(shí)，就會(huì)使用到該模式，當(dāng)需要對(duì)局部零件進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，就需要借助機(jī)旁操作按鈕實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用該模式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)便會(huì)自動(dòng)解鎖，各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就能單獨(dú)啟動(dòng)或是停止。

4.2 硬件設(shè)計(jì)

堆料機(jī)是將煤炭從膠帶運(yùn)送機(jī)上堆放到料場(chǎng)中的重要設(shè)備，堆料機(jī)與膠帶運(yùn)送機(jī)的輸送電機(jī)、行走電機(jī)、動(dòng)纜與控纜電機(jī)、液壓泵電機(jī)的控制相連接。在將PLC 系統(tǒng)應(yīng)用到膠帶運(yùn)送機(jī)上時(shí)，就要保證這些輔助機(jī)械共同構(gòu)成控制系統(tǒng)，并確保其能穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)取料機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，PLC 系統(tǒng)就會(huì)迅速借助蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并且管理人員還能借助顯示屏對(duì)故障情況進(jìn)行了解。并且在應(yīng)用了PLC 系統(tǒng)后，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料功能，通過操作平臺(tái)的起動(dòng)控制按鈕和自動(dòng)停止按鈕就能對(duì)取料機(jī)進(jìn)行操作。同時(shí)，管理人員還能利用手動(dòng)控制來進(jìn)行手動(dòng)取料，保證工作效率。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)是為了完成系統(tǒng)監(jiān)控與控制功能，并借助觸摸屏來對(duì)管理人員展示設(shè)備參數(shù)和各類信息。但為了提升管理質(zhì)量，在對(duì)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)將界面分為主控畫面、參數(shù)顯示畫面、狀態(tài)顯示畫面和報(bào)警畫面。

在控制程序執(zhí)行完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入輸出環(huán)節(jié)，此時(shí)PLC 控制器會(huì)不斷對(duì)控制邏輯和數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也會(huì)對(duì)控制邏輯進(jìn)行控制，此時(shí)輸出的數(shù)據(jù)就會(huì)對(duì)膠帶運(yùn)送機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行決定，從而實(shí)現(xiàn)膠帶運(yùn)送機(jī)的自動(dòng)控制。

目前對(duì)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)一般使用的是STEP7-MicroWIN SPS V4.0 軟件，在早期一般會(huì)將系統(tǒng)分為兩部分，獨(dú)立堆料機(jī)和取料機(jī)。在堆料機(jī)系統(tǒng)中，一般包含有1 個(gè)主程序、1 個(gè)終端系統(tǒng)和6 個(gè)子程序。主程序是整個(gè)程序的核心，能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行初始化設(shè)置，并在工作中調(diào)動(dòng)系統(tǒng)的子程序和各類數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)之中，如果出現(xiàn)故障，一般會(huì)都為停機(jī)故障和不停機(jī)故障，膠帶輸送機(jī)中的不停機(jī)故障有四種，輸送帶打滑、輸送帶跑偏、料流檢測(cè)不夠準(zhǔn)確、液壓油的油位偏低，目前對(duì)著四種故障進(jìn)行處理一般使用濾波出率，而濾波時(shí)間則需要管理人員通過操作屏進(jìn)行[4]。

5 PLC 在煤礦膠帶輸送機(jī)上的應(yīng)用要點(diǎn)

5.1 電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)

由于皮帶機(jī)的制動(dòng)原理與汽車等常見制動(dòng)原理不同，皮帶機(jī)系統(tǒng)的制動(dòng)主要是通過改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的電流方向，改變電動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩的方式來達(dá)到制動(dòng)的目的。但由于勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)非常大，這就使得可以通過增加強(qiáng)勵(lì)電壓來縮短轉(zhuǎn)矩反向的時(shí)間。

在對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行電氣制動(dòng)時(shí)，可以使用接近3 倍左右的強(qiáng)烈電壓來進(jìn)行制動(dòng)處理，但在進(jìn)行控制時(shí)，要保持極高的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，在進(jìn)行系統(tǒng)操作時(shí)要明確其運(yùn)行條件和標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)發(fā)出開車信號(hào)后，工作人員一定要想利用數(shù)字控制系統(tǒng)來對(duì)PLC 下達(dá)保護(hù)檢查指令，在確定設(shè)備無任何異常后方可進(jìn)行啟動(dòng)，一旦設(shè)備出現(xiàn)了異常問題，就要及時(shí)停止啟動(dòng)，并對(duì)問題進(jìn)行修復(fù)。在未發(fā)現(xiàn)異常的情況下，工作人員的啟動(dòng)指令就會(huì)通過保護(hù)PLC 向操作PLC 發(fā)出開車指令，隨后通過數(shù)字電控系統(tǒng)的指令，就可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速操作，極大程度的保護(hù)了設(shè)備運(yùn)行安全。

5.2 鋼纜皮帶控制系統(tǒng)

鋼纜皮帶控制系統(tǒng)是聯(lián)動(dòng)不同電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的重要方式，其采用了均轉(zhuǎn)矩運(yùn)行原理，通過兩套調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用相同的速度調(diào)節(jié)器和給定積分器來保證轉(zhuǎn)速相同。電流調(diào)節(jié)器的輸出值相當(dāng)于速度調(diào)節(jié)器的輸出值，當(dāng)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器給定值相同時(shí)，其速度也就完全相同。在該系統(tǒng)中，兩臺(tái)電機(jī)的電磁通具有相同性，兩臺(tái)電機(jī)也為串聯(lián)激磁，這就使得相連接的兩臺(tái)電機(jī)電樞電流還有扭矩都完全一致。

均轉(zhuǎn)速的兩臺(tái)電機(jī)共用同一個(gè)給定積分器，這就使得兩者的輸出值完全相同，這就保證了兩臺(tái)電機(jī)的速度和速度反饋度也完全相同。而在通常情況下，只有在皮帶需要換繩的時(shí)候才需要進(jìn)行均轉(zhuǎn)速運(yùn)行。但兩臺(tái)機(jī)器處于均轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)并不代表兩臺(tái)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)完全相同，在此狀態(tài)下，兩臺(tái)機(jī)器的負(fù)載承受情況也可能會(huì)出現(xiàn)不平衡的情況，此時(shí)機(jī)器內(nèi)的電流也會(huì)出現(xiàn)較大的差異，因此，工作人員一定要對(duì)機(jī)器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全方面的了解后再進(jìn)行工作。

5.3 安全與穩(wěn)定控制應(yīng)用

PLC 技術(shù)的煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)控制系統(tǒng)是通過將PLC 系統(tǒng)安裝到了煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)上，并實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了井下的機(jī)械的集中控制，在同時(shí)由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融入，也能實(shí)現(xiàn)井上調(diào)度中心遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理膠帶運(yùn)送機(jī)的功能，極大程度的便捷了工作。在傳統(tǒng)的采煤工作中，煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)會(huì)晝夜不停的進(jìn)行工作，但由于巡檢人員較少，并且井下環(huán)境復(fù)雜，礦井較深，使得部分區(qū)域難以經(jīng)常性得到巡檢，這就可能會(huì)導(dǎo)致煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)在工作中出現(xiàn)故障沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題。而一旦沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，不僅會(huì)對(duì)采煤效率產(chǎn)生影響，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，甚至還可能會(huì)由于機(jī)械出現(xiàn)各類故障引發(fā)安全事故，威脅井下工作人員的生命安全[5]。

而通過安裝PLC 系統(tǒng)，控制中心的工作人員就能全程對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)存在的問題及時(shí)發(fā)現(xiàn)。系統(tǒng)的存在讓煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)實(shí)現(xiàn)了堆煤保護(hù)、跑偏保護(hù)、溫度保護(hù)、速度保護(hù)等功能，并且還配置有了急停功能，這極大程度的提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，為保證采煤效率和安全打下了良好的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

信息化是所有工作生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著信息化時(shí)代的來臨，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式暴露出了生產(chǎn)效率低、安全性差等問題，目前信息化已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)之中。煤礦膠帶運(yùn)送機(jī)作為煤礦井下主要的運(yùn)輸設(shè)備之一，決定了煤礦的生產(chǎn)效率，通過將PLC 應(yīng)用到煤炭膠帶運(yùn)送機(jī)之上，能讓管理人員實(shí)現(xiàn)全程對(duì)設(shè)備的監(jiān)控以及遠(yuǎn)程操作，在設(shè)備運(yùn)行過程中能及早的發(fā)現(xiàn)可能存在的異常，在出現(xiàn)問題后能通過遠(yuǎn)程操作及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行關(guān)閉，并迅速找到問題對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，保證了井下作業(yè)的安全，為采煤行業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。