李明軒

（山西澤州天泰能源有限公司， 山西 晉城 048000）

0 引言

帶式輸送機的結(jié)構(gòu)原理決定了特別適合散裝物料的運輸，因此在煤礦領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，它的作用主要是對煤礦物料進行長距離運輸[1]。然而煤礦領(lǐng)域的工作環(huán)境非常復(fù)雜，帶式輸送機運行過程中難免會出現(xiàn)各類故障問題，影響其運行穩(wěn)定性[2]。控制系統(tǒng)作為輸送機的重要構(gòu)成部分，其性能會直接影響運行可靠性和穩(wěn)定性[3]。針對輸送機的控制系統(tǒng)，很多技術(shù)人員和學(xué)者開展了一定的研究，取得了很好的成果，在促進輸送機控制系統(tǒng)國產(chǎn)化方面起到了很大的作用[4]?；诖嗽谝延醒芯砍晒幕A(chǔ)上，結(jié)合煤礦帶式輸送機的特點，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了輸送機的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用到工程實踐中，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 三維模型建立

研究的帶式輸送機系統(tǒng)總輸送長度為570 m，同時由3 臺設(shè)備進行輸送，如圖1 所示為煤礦中使用的帶式輸送機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體方案框圖?？梢钥闯觯刂葡到y(tǒng)以S7-1200 型PLC 控制器為核心。利用速度傳感器及各類保護傳感器，對帶式輸送機運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行實時采集，并上傳至控制器中進行綜合分析處理，其中保護傳感器包括斯帶、煙霧、跑偏、溫度、電流等傳感器?？刂破鞲鶕?jù)處理結(jié)果，對帶式輸送機系統(tǒng)中的3 臺電機及其配套的變頻器進行遠(yuǎn)程控制，達(dá)到實時調(diào)節(jié)設(shè)備運行狀態(tài)的效果。同時控制器與上位機連接，將數(shù)據(jù)實時上傳至上位機中進行存儲，在監(jiān)控大屏上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，工作人員能實時掌握帶式輸送機的運行狀態(tài)。

圖1 提升機天輪的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

1.2.1 上位機與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸

對于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)而言，上位機與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性會影響系統(tǒng)的正常工作[5]?？紤]到煤礦環(huán)境比較復(fù)雜，容易受到外部環(huán)境因素的干擾。因此，在控制器與上位機之間利用數(shù)據(jù)傳輸比較穩(wěn)定的工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，具體的通信協(xié)議為Modbus/TCP。

工業(yè)以太網(wǎng)的Modbus/TCP 通信協(xié)議共分為5 個層級，其中第1 層為以太網(wǎng)物理層，作用是提供設(shè)備的物理接口；第2 層為CSMA/CD IEEE802.3，作用是對硬件地址數(shù)據(jù)幀進行格式化處理，第3 層為IP，作用是生成一個IP 報文包，屬于32 位數(shù)據(jù)；第4 層為TCP，作用是傳輸、調(diào)度、重發(fā)、查錯、連接以及端口服務(wù)；第5 層為應(yīng)用層，作用是構(gòu)建協(xié)議的報文。

1.2.2 控制器與傳感器、變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸

對于距離比較近的控制器與傳感器、變頻器之間的數(shù)據(jù)通信，目前應(yīng)用較多的是RS-232 和RS-485通信，兩者都有較好的實踐效果。實踐經(jīng)驗表明，后者的通信穩(wěn)定性比前者相對要高，因此本控制系統(tǒng)利用后者來建立控制器與傳感器、變頻器之間的數(shù)據(jù)通信。最大的傳輸距離和傳輸速率分別可以達(dá)到1 200 m和10 Mbit/s。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中主要電氣元器件和設(shè)備的原理及其相互聯(lián)系，需要利用電氣原理圖來表示，帶式輸送機的電氣原理，采用的是三相四線制連接方式。另外，為了保障電氣運行安全，在帶式輸送機前面的火線和零線中間增加設(shè)置了開關(guān)電源，特殊情況下可以利用電源進行斷電，確保設(shè)備及人員的安全。

2.2 I/O 接口統(tǒng)計及其分配

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的S7-1200 型PLC 控制器需要接收各類傳感器及開關(guān)量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，還要向變頻器等下達(dá)控制指令，因此需要準(zhǔn)確統(tǒng)計I/O 口的數(shù)量。結(jié)合帶式輸送機實際情況，傳感器的類型主要分為三類，分別為開關(guān)量輸入、模擬量輸入和開關(guān)量輸出。其中，開關(guān)量輸入需要的I/O 接口數(shù)量包括跑偏6 個，煙霧、打滑、撕帶分別為3 個，啟動和停止分別為1 個，急停為3 個；模擬量輸入需要的I/O 接口數(shù)量包括模式切換和溫度檢測各1 個，電流檢測3 個；開關(guān)量輸出需要的I/O 接口數(shù)量包括拉緊裝置和超溫灑水各1 個，狀態(tài)指示燈3 個。綜合以上共計需要30 個I/O 接口。

系統(tǒng)中使用的控制器型號為S7-1200，對應(yīng)的CPU 型號為CPU-1214C。但該CPU 自帶的I/O 接口數(shù)量不夠其實際使用，因此需要增加開關(guān)量模塊、模擬量輸出模塊和開關(guān)量輸出模塊各1 個，分別為16位的SM1221 塊、4 位的SM1231 模塊和8 位的SM1222 模塊，如圖2 所示為控制器中CPU-1214C 模塊的接線圖。

圖2 控制器中CPU-1214C 模塊的接線圖

2.3 模擬量轉(zhuǎn)換

利用部分傳感器檢測得到的是模擬量信號，無法直接輸入到控制器中，首先需要將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號才能使用[6]。以溫度傳感器的數(shù)據(jù)處理過程為例進行介紹，如圖3 所示為溫度數(shù)據(jù)處理功能程序。

圖3 溫度數(shù)據(jù)處理功能程序

利用溫度傳感器檢測得到的模擬量信號首先需要經(jīng)過線性光偶HCNR200 形成的隔離電路中，作用是將其與控制器進行隔離，保障電路的運行穩(wěn)定性，然后進入SM1231 模塊中進行模擬量轉(zhuǎn)換。溫度傳感器輸出的模擬量信號為4～20 mA 的電流信號。經(jīng)過處理后可以得到0～27 648 的數(shù)字量信號。其中0 對應(yīng)的溫度為0 ℃，27 648 對應(yīng)的是100 ℃。

3 PLC 控制器主要工作程序設(shè)置

設(shè)計的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動控制和手動控制，以下主要介紹系統(tǒng)自動運行時的基本控制流程圖。如圖4 所示為帶式輸送機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的自動控制基本流程圖。由圖4 可知，控制系統(tǒng)開始運行后，首先對自身狀態(tài)進行自檢，確保能正常工作后進入運行狀態(tài)，啟動帶式輸送機按鈕。首先啟動3 號帶式輸送機，延時5 s，一切正常后啟動2 號帶式輸送機，延時10 s，一切正常后啟動1 號帶式輸送機。完成設(shè)備啟動工作后，運行過程中利用傳感器監(jiān)測輸送機系統(tǒng)的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)存在故障問題，立即啟動故障處理程序，依次停止1 號、2 號和3 號帶式輸送機，中間分別延遲5 s 和10 s。當(dāng)帶式輸送機需要停止工作時，按下停止按鈕，1 號、2 號和3 號帶式輸送機依次停止運行，中間分別延遲5 s 和10 s。

圖4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的自動控制基本流程

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

根據(jù)上文設(shè)計的帶式輸送機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體方案，將其應(yīng)用到煤礦工程實踐中，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，確保系統(tǒng)能夠正常運行，各項功能都能正常實現(xiàn)以后，正式投入應(yīng)用。

截至目前，該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用時間已經(jīng)超過15 個月。運行期間對系統(tǒng)基本情況進行觀察記錄，發(fā)現(xiàn)整體運行良好，未出現(xiàn)故障問題，可以對輸送機的運行狀態(tài)進行遠(yuǎn)程、實時、準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)控，并結(jié)合實際情況對運行狀態(tài)進行調(diào)整。通過對應(yīng)用系統(tǒng)前后的設(shè)備故障率進行對比，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的成功實踐應(yīng)用，使得帶式輸送機的故障率下降了50%以上，為設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行以及煤礦開采效率的提升奠定了堅實基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了很好的安全效益和經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

對煤礦帶式輸送機的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進行了研究，所得結(jié)論主要有：

1）系統(tǒng)主要原理是利用傳感器對帶式輸送機的運行狀態(tài)進行檢測。利用S7-1200 型PLC 控制器分析設(shè)備運行狀態(tài)，并下達(dá)指令對輸送機系統(tǒng)運行過程進行控制，保障設(shè)備運行穩(wěn)定和安全。

2）控制器與上位機之間屬于長距離數(shù)據(jù)傳輸，選用工業(yè)以太網(wǎng)，控制器與傳感器、變頻器之間屬于短距離傳輸，選用性能穩(wěn)定的RS-485 通信協(xié)議。

3）將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中，通過連續(xù)15 個月時間的現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)效果良好，設(shè)備故障率降低50%以上，安全效益和經(jīng)濟效益顯著。