PLC在煤矿皮带机监控系统中的应用研究.pdf

2019 年第 5 期2019 年 5 月 0引言 皮带运输机作为井下煤炭运输环节的基础性设备，是 确保井下生产持续高效开展的关键所在。过去，井下皮 带运输机的监控管理所采取的“人工巡视＋局部单片机” 的控制模式，虽然拥有过载保护、跑偏自断电等基础功 能，但各监测单元间无相互关联性，也不能进行地面监 控，只能依靠专职人员井下往返巡视，在导致工作效率 低下的同时无法及时排除故障。有鉴于此，基于现代 PLC 技术设计更加优化的井下皮带机监控系统意义重大。 1基于 PLC 的皮带机监控系统设计分析 1.1系统功能分析 相较于以往的局部单片机控制模式，基于 PLC 的 皮带机监控系统具有更加优良的抗干扰性。由于相关 硬件与软件均基本实现标准化和模块化，其不仅构建 周期短，而且可靠性高。此外，PLC 系统还可实现数据 采集、传递、分析等多重功能，为整个井下运输的智 能化运行提供坚实的基础保障，更大幅降低了井下作 业的强度与安全风险。 1.2系统设计方案分析 传统的皮带机运输系统常见多发故障主要包括皮 带撕裂、失速、跑偏、打滑、温度过高等，在进行系 统优化设计时，应当针对上述多发故障区域进行传感 装置、电气控制柜等的布置和数据网络、远程监控软 件的构建。图 1 即为皮带机监控系统优化设计总体布 局示意图，其中，除了系统原配的各类传感装置可继 续使用外，其他硬件需重新配置[1]。 图 1皮带机监控系统优化设计分析 2传感装置的选择与使用 撕裂传感装置、跑偏传感装置、速度传感装置、温 度传感装置、堆煤传感装置和烟雾传感装置型号的选 择应符合矿井生产的安全需求，兼具防爆、抗干扰、适 应性强等功能。 2.1撕裂传感装置 在皮带机井下运输的过程中，由于持续磨损或局部 煤块卡滞等原因，经常会发生纵向撕裂故障，进而使得 所运输块煤落入运输机底座框架。有鉴于此，可借助落 煤重力作为撕裂特征量，按照一定的间隔布设 GVD300 型压敏传感装置，实现对运输机皮带撕裂的有效监控[2]。 2.2跑偏传感装置 在皮带机运输的过程中，常因偏载或张力不均导致 收稿日期2019-02-22 作者简介陈军君，1986年生，男，山西平定人，2012年毕业于中 国矿业大学电气工程与自动化专业，助理工程师。 PLC 在煤矿皮带机监控系统中的应用研究 陈军君 （ 阳泉煤业集团兴峪煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000 ） 摘要 以PLC在煤矿皮带机监控系统中的应用为对象开展探究，在对基于PLC的皮带机监控系统做出整体分析的基础 上，对传感装置的选择使用、监控系统硬件设计、网络架构、软件分析等多个方面进行分析总结，希望能够对其他矿井 相似工程的开展提供借鉴与参考。 关键词 矿井；皮带机；PLC；监控系统 中图分类号 TD634文献标识码 A文章编号 2095-0802-201905-0151-02 Study on the Application of PLC in Monitoring System of Coal Mine Belt Conveyor CHEN Junjun Xingyu Coal Industry Co., Ltd., Yangquan Coal Industry Group, Yangquan 045000, Shanxi, China Abstract With the application of PLC in the coal mine monitoring system of belt conveyor as the object to carry out exploration, based on the overall analysis of the monitoring system of belt conveyor based on PLC, this paper analyzed and summarized the selection and use of sensing devices, hardware design of monitoring system, network architecture, software analysis and other asp- ects, hoping to provide reference for similar projects in other mines. Key words mine; belt conveyor; PLC; monitoring system （总第 164 期） 实践运用 PC监控端 井上 井下 传感器信号 上传数据 跑偏 传感器 烟雾 传感器 从动滚筒 堆煤传感器 速度传感器 报警器 温度传感器1PLC电气柜 控制 信号 1皮带运输机 2皮带运输机 3皮带运输机 2PLC电气柜 3PLC电气柜 撕裂传感器 电机侧 远 程 控 制 指 令 煤仓 151 2019 年第 5 期2019 年 5 月 （下转 171 页） 皮带出现跑偏现象，一旦偏差过大便会威胁生产安全， 这时就需停机进行维护。针对此，可将皮带偏离量作 为跑偏监测特征，通过在皮带机两侧支架上间隔布设 CEJ30 型跑偏传感装置，实现对运输机皮带跑偏现象的 有效监控[3]。 2.3速度传感装置 当皮带机运行时，一旦驱动滚筒速度与从动滚筒 速度存在速度差，便会导致皮带出现打滑现象，进而 引发堆煤、电机烧毁等安全事故。针对这一问题，可 将 GSC 型速度传感装置布设在从动滚筒内侧，以实现 对运输机皮带速度的有效监控。 2.4温度传感装置 在驱动电机高负荷运行时，皮带和电机温度极易 升高，一旦温度超过某一阈值便会损坏设备。针对这 一问题，应当在电机侧和从动滚筒侧安装 GWD 型温度 传感装置，以便持续监控皮带机运行时的温度。 2.5堆煤传感装置 皮带机运行时，为避免机头发生堆煤事故，应当 在皮带机头溜煤眼和皮带搭接区域布设型号为 GUJ30 的堆煤传感装置，一旦出现煤仓超限或皮带堆煤现象， 传感装置便会自动闭合煤位触杆，使得运输机停机。 2.6烟雾传感装置 为避免运行过程中皮带或电机发生火灾事故，应 当在皮带机机头处布置 GQQ0 型烟雾传感装置。该装 置能够自动监测作业面烟雾浓度，一旦浓度超过预设 值，便会发出警报并启动喷淋设备降温灭火。 各传感装置型号及布设方位确定后便可按照设计 进行布设，需注意的是布设时必须留出 PLC 系统接线 端。图 2 即为传感装置布设示意图。 图 2传感装置布设示意图 3PLC 监控系统硬件设计分析 皮带机 PLC 监控系统各组主要集中布设于井下近 端电气柜中，其构成如图 3 所示。该电器柜中兼设中 央处理装置 （ CPU ） 、存储装置 （ RAM/ROM ） 、输入 / 输 出接口 （ I/O ） 、电源模块和编程模块等组件。 在硬件设备的选择上，先结合传感装置布设位置 及运行情况对 PLC 输入量 （ 开关量或模拟量） 和输出 对象加以确定，随后确定输入与输出的节点数和类型， 并根据此估算 CPU 的运行能力，进而再结合市场情况 确定型号。此次设计最终选用型号为 SIMATICS7-300 的 PLC 电气集成控制单元，该控制单元稳定性强、集 成度高，可适应各种不同的作业环境[4]。 图 3电器柜硬件构成示意图 4监控网络构建分析 为了便于井下皮带机的控制和调试，在皮带机中 增加一组操控作业台，作业台显示装置可实时显示皮 带各构成组件的运行状态。此次设计优化所涉及的三 处电气柜及地面监控系统全部通过光缆实现相互连接， 并全部并入井下铺设完成的主干网，再通过井口通向 地面，信息的远距离传输通过中继装置实现连接。图 4 即为网络架构原理示意图。 图 4网络架构原理示意图 此外，为了确保井下各传感装置、控制系统和动 作机构间数据通信的有效性，设计采用 PROFIBUS-DP 通讯协议配合所选 CPU 上自带的通讯主从端口进行数 据通信，保证了网络架构的快速、便捷。 5井上监控软件分析 结合此次优化设计目标，井上监控中心所用软件 应当能够实时监控显示设备运行状态，并实时分析和 查看相关数据，同时，还能够远程操控井下设备。鉴 于此，针对井下作业需求设计专用的操控软件。 6结语 将 PLC 技术应用在井下皮带机监控系统中，实现 了对整个系统设计的优化改良，整体运行效果始终 保持良好，A 矿井下三条皮带运输机累积异常停机维 修时间缩短 25左右，井下专职巡检员数量减少 2/3， 指示灯 电磁阀 输出 接口 通信 接口 扩展 模块 外部 接口 扩展 模块 编程设备 按钮 限位 开关 输 入 接 口 电源 存储器RAM/ROM 数 据 系统 程序 应用 程序 动 作 信 号 开 关 量 中央处理器 CPU 皮带运输机框架 煤仓 跑偏传感器 烟雾 传感器 触感式堆 煤传感器 温度传感器 1撕裂传感器 2撕裂传感器 滚轮式速 度传感器 触点式跑偏传感器 压敏式撕裂传感器 光纤中继器 井上 井下 井下主干网 光纤中继器光纤中继器 光纤中继器 1PLC电气柜 传感器 信号输入 设备启停 信号输入 运行状态 输出 其他信号 输出 2电气柜3电气柜SIMATIC S7-300型PLC 152 2019 年第 5 期2019 年 5 月 （上接 152 页） 未再发生任何一起电机烧毁或起火事故，为整个矿井 生产安全提供了坚实保障。同时，监控系统的应用还 大幅提升了井下运输作业的有效性，推动了矿井综合 效益的提升。 参考文献 ［1］ 宋慧.基于 PLC 的矿井皮带运输机监控系统设计和改造 ［J］ .内 燃机与配件， 201815 211-212. ［2］ 钮鑫.带式输送机故障监控系统关键技术研究 ［D］ .北京 中国 地质大学， 2018. ［3］ 杜彦伟.煤矿井下带式输送机集中在线监控系统研究设计 ［J］ . 山东煤炭科技， 201712 136-137. ［4］ 王猛， 杨朋飞.基于 PLC 的自动控制于皮带运输系统的应用 ［J］ . 科技经济导刊， 201728 69-70. （ 责任编辑白洁 ） 率，需要结合实际情况选择适宜的编程工具。 2系统架构优化 一个完整的自动化控制系统主要包含硬件部分和 软件部分，系统架构的优化也主要针对这两部分进行。 下面对这两部分优化设计进行简要介绍。 2.1硬件优化设计 硬件架构对系统运行的稳定性、安全性有着重要 的影响。硬件架构优化涉及内容较多，下面主要从输 入电路、输出电路和抗干扰三方面进行阐述。 a 系统输入电路优化。煤矿使用电气自动化控制 系统中，PLC 供电电压一般为交流 85 V～240 V，虽然 具有较好的宽幅适用性，但考虑到断电或电压不稳定的 情况，在系统输入电路位置加装电源净化元件，这样可 保证 PLC 元件始终在允许电压范围内工作。结合容量情 况对负载进行相应的调整，同时还需要做好周边线路的 防短路工作，可在电源支路上安装保险丝，防止因出现 短路情况而损毁 PLC 芯片；b 系统输出电路优化。输 出电路优化设计需要结合矿井实际情况及应用需求，尽 可能采用晶体管输出，这样可提高设备的速度且满足高 频工作的需要。以 A 矿井水泵机房自动化控制系统为 例，若 PLC 系统输出频率不超过 6 次 /min，则可以直接 选择继电器输出，这种方式最简便，抗干扰能力也比较 理想。但若输出端有感性负载，在断电时会产生电流脉 冲，可能对系统芯片造成影响。解决措施就是在电路旁 并接续流二极管，吸收电流脉冲[3]；c 抗干扰优化。抗 干扰优化是自动化控制系统建设的主要内容之一，其可 保障系统内部芯片等元件不受外界电磁环境的影响，确 保系统运行的可靠性。抗干扰优化具体内容如下a选 择隔离变压器抗干扰的方式。电网中的高频干扰是由副 边绕组间电容耦合产生的，因此抗干扰优化中选用与其 频率相同的超隔离变压器，同时对中性点进行电容接地 处理；b在系统外部安装带有金属外壳的工作柜，同样 对其进行接地处理，利用金属外壳屏蔽外界电磁干扰； c对系统线路布设进行优化，将强电动力和弱电信号线 路分开走线，二者之间应有一定的距离间隔，避免相互 间产生电磁干扰。传输线路选用双绞线屏蔽电缆，也可 在一定程度上起到抗干扰作用[4]。 2.2软件优化设计 软件是自动化控制系统功能实现的核心部分，其 直接关系到自动化控制系统的运行效率。软件的优化 一般与硬件组态优化设计同步进行。软件优化设计主 要内容就是结合系统控制基本流程将软件设计转化为 梯形图，将复杂的系统软件梳理成简单的结构图形。 软件优化设计主要从以下两方面进行。 a 软件结构优化。软件结构设计有基本程序和模 块化设计 2 种形式。由于煤矿井下生产是一个动态管 理的过程，因此自动化控制系统也需要根据开采动态 实时地调整。鉴于此，煤矿电气自动化控制系统应具 有可拓展性，便于满足煤矿动态开采的需要。自动化 控制系统软件结构选用模块化结构，将控制目标划分 成多个子目标，每个子目标也是具有特定功能的模块， 这样一个系统就包含了多个子功能模块。模块的结构 设计能够使系统视井下开采需要实时调整，并且操作 简便快捷，符合井下自动化控制需求；b 程序设计优 化。软件结构优化之后，还需要对程序内容进行优化， 重点在于 I/O 分配。I/O 分配遵循按需分配的原则，为 便于系统整体程序设计和后期管理维护，在 I/O 信号编 制过程中采用统一规划、集中编制的方法。同时，为便 于后期系统的管理维护，对系统中的定时器、计数器也 进行统一编号，避免出现重复使用同一编号的情况，在 最大程度上保证自动化控制系统运行的可靠性。另外， PLC 控制程序在逻辑设计方面遵循简单明了的基本原 则，一方面可以简化程序录入的烦琐过程，另一方面也 可以减少程序过多占用内存空间和扫描时间，最大限度 地提高系统运行效率。PLC 芯片触点可以重复多次利 用，不需要设计复杂的程序来减少芯片触点使用次数[5]。 3结语 随着电子信息技术的快速发展和煤矿生产机械化 的不断推进，电气自动化控制的高速发展将是煤矿现 代化生产的重要途径。然而，实现电气设备自动化控 制的方式有很多种，应在保证系统运行效果的基础上， 最大程度地对自动化控制系统进行优化。这样，一方 面可以提高系统的运行效率，便于系统的管理维护， 另一方面也可以降低系统的运行管理成本。 参考文献 ［1］ 王旭健.煤矿电气自动化控制系统的优化设计分析 ［J］ .能源 与节能， 201811 137-138. ［2］ 苏永生.煤矿电气自动化控制系统设计及优化 ［J］ .电子技术 与软件工程， 201821 107. ［3］ 赵春生.煤矿电气自动化控制系统应用优化探析 ［J］ .中国新 技术新产品， 20163 11. ［4］ 刘丽.煤矿电气自动化控制系统的优化设计 ［J］ .煤炭技术， 2013， 328 93-95. ［5］ 张英.煤炭企业中电气自动化控制设备的可靠性分析 ［J］ .煤 炭技术， 2013， 327 43-44. （ 责任编辑刘晓芳 ） 张浩璐 煤矿电气自动化控制系统优化设计 171