基于PLC的带式输送机智能保护系统设计.pdf

第 1期 2 0 1 1年 】月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i on NO ． 1 J a n．2 0 1 1 文 章编号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 1 0 1 0 0 8 6 0 3 基于 P L C的带式输送机智能保护系统设计 马 永辉 ， 孙岩 冰 。 。 ， 王桂 华。 1 ． 徐州中矿大华洋通信设备有限公司 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ；2 ． 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 淮北 矿业集 团袁 店煤矿 ， 安徽 淮 北2 3 5 0 0 0 摘要 针对 国内现有矿井带式输送机保护 系统功能单一 、 可靠性低、 系统集成性与扩展性差等问题 ， 结合 煤 矿带 式输送机 的常 见故障 类型 ， 提 出了一种基 于 P L C 的带 式输 送机 智 能 保 护 系统 ， 介 绍 了 系统硬 件 结构 和 软件设 计 。该 系统 可独立操控 ， 也 可 多级 闭锁操 控 ； 具备 良好 的通信 联 网接 口， 可扩展 性 强 ； 支持 工业以 太 网传输 ， 具 有智 能化 集控 功 能。 实际应 用验 证 了该 系统 的可行 性和 有效性 。 关键词 矿井；带式输送机；智能保护 ； P L C； 通信联 网；if - 业以太网 中图 分类号 T D 6 3 4 ． 1 文献标 识码 B De s i g n o f I nt e l l i g e n t Pr o t e c t i o n Sy s t e m o f Be l t Co nv e y o r Ba s e d o n PI C M A Yo n g hu i ， SUN Ya n h i ng 一， W ANG Gu i h ua 。 1． Xu z ho u Hxy t e c h Co． ，Lt d．，Xu z ho u 2 21 1 1 6，Ch i na． 2． Sc ho o l o f I n f o r ma t i on a nd El e c t r i c a l En g i ne e r i ng of CU M T ． ，Xu z ho u 2 2 1 0 08，Chi n a 3． Yu a n di a n Co a l M i n e o f Hua i be i M i ni ng Gr ou p，Hua i be i 2 3 5 0 00，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e ms o f s i ng l e f u nc t i o n，l o w r e l i a bi l i t y a n d p oo r i nt e gr a t i o n a nd e x p a ns i b i l i t y o f s y s t e m i n e x i s t i n g p r o t e c t i o n s y s t e m o f b e l t c o n ve y o r o f c o a l mi n e，a n d c o mpa r i n g c o mm o n f a u l t t yp e s o f be l t c onv e y or ，t he pa pe r pr o p os e d a n i n t e l l i ge nt pr o t e c t i on s ys t e m o f be l t c on v e y or ba s e d o n PI C a n d i n t r o du c e d h a r dwa r e s t r u c t ur e a n d s o f t wa r e d e s i g n of t h e s ys t e m ．The s ys t e m c a n be o pe r a t e d s i ng l y a n d l o c k e d wi t h s e v e r a l l e v e l s ．h a s pe r f e c t i nt e r f a c e s o f c o mmuni c a t i o n n e t wor ki ng wi t h s t r on g e xp a n s i b i l i t y， s up po r t s t r a n s mi s s i on t hr o u gh i nd us t r i a l Et he r n e t a nd h a s i nt e l l i ge nt i n t e gr a t e d c o nt r o l f u nc t i o n． Th e a c t ua l a p pl i c a t i on v e r i f i e d v a l i d i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t he s ys t e m ． Ke y wo r d s mi ne ， b e l t c o nv e y o r ，i nt e l l i ge n t p r o t e c t i on， PLC， c o m mun i c a t i o n n e t wor k i ng，i nd us t r i a l Ft he r n e t 0 引言 随着 矿井 生产技 术 的快 速发展 和装备 水平 的不 收 稿 日期 2 0 1 0 ⋯0 9 1 4 作者简介 马永辉 1 9 7 6 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 现为徐州中矿大华 洋通信设备有 限公司技术总监。E ma i l y o u r e ma l l 1 6 3 ． c o m ， ， e， ， 1 ， 参 考 文献 断提 高 ， 顺 槽胶 带机 、 刮板 输 送 机 、 转 载输 送 机 和带 式输送机等 已成为煤矿生产中非常重要 的运输设 备 。这些运 输设备 能 否安全 高效地 运行 直接决 定着 矿井 机 电设 备 的开机率 和产 量 。老式 的胶带传 输方 式一般采用继电器控制， 每条胶带可以独立控制开 停 ， 控 制 系统 分散 ， 控 制 方 式 灵 活性 差 ， 且 各条 胶 带 赵洪刚 ， 孙彦 良， 刘 增宝 ， 等．基 于工 业 以太 网的综 合 自动化系统 的建 立 与应用 [ J ] ． 煤 炭技 术 ， 2 0 0 8 2 9 3 1． 李建德， 苇 晓钧 ， 和得 江． 摹 于工业 以太 网的井下 中央 1 5 ] 变 电所 自动化系统[ J ] ． 煤矿 安全 ， 2 O 0 8 1 1 6 7 6 9 ． 秦 国防 ， 常小 明． 基 于 C A N 总线的煤 矿远程 电力通信 系统的设计 E J ] ． ￡ 矿 自动化 ， 2 0 0 8 3 7 6 7 9 ． 史丽萍， 季峰． 煤矿井下变 电站 自动化子系统信息集成 解决方案 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 2 7 3 7 5 ． 邓先 明， 袁启动 ， 卢佳 ， 等． 基 于 O P C的煤矿 供 电 自动 化系统 r J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 2 9 2 9 4 ． 2 0 1 1 年第 1 期 马永辉等 基 于 P L C的带式输送机智能保护 系统设计 8 7 的配置差异较大 ， 同时采用人工操作方式， 操作人员 劳动强度大， 运行效率低 ， 且易引起操作失误， 造成 设备 损坏甚 至人 员 伤 亡 ， 给 煤 矿带 来 重 大损 失 。 目 前 ， 越来越多的矿井特别是新建矿井都投入 了综合 信息化建设 ， 要求设备层的过程设备或离散设备具 有 良好的通信接 口， 方便系统集成 。在该背景下 ， 笔 者采 用西 门子 S 7 2 0 0 P L C设 计 了一 种 带式 输送 机智 能保 护系统 。该 系统不 仅能 够实现 带式 输送 机 运行过程中常见的故 障保护功能， 还能灵活接入现 场 总线 、 工业 以太 网口 ] ， 以实现 带 式 输 送 机 的 集 中 控制 。 1 矿井带式 输送 机常 见故 障分析 矿井带 式输送 机常 见故 障主要包 括胶 带打 滑事 故 、 胶 带跑偏 事故 、 胶带撕 裂事 故等 。 胶 带打 滑事故 由于胶带 松弛 、 负载 大或胶 带卡 阻所造 成 。胶带松 弛是 由于拉 紧装 置产生 的拉 紧力 太小及胶带 弹性伸 长量太 大所致 ； 负载 大 的原 因 一 是 重载启 动 ， 二是 载重 量太 大 ， 三是 胶带 与主 动滚 筒 、 从 动滚筒 机托辊 间摩擦 力太 小 ， 如 胶带 内表 面有 水 或油 、 从动 滚筒轴 承损 坏或托 辊损坏 ； 胶 带卡 阻的 主要原 因是胶 带埋在 煤 中或淤 泥 中而 无法运 行 。 胶带跑偏事故 造成胶带跑偏事故的带式输送 机 设备 自身方 面的原 因主要 有滚 筒 的外 圆圆柱度 误 差 较大 、 托辊转 动不 灵活 、 主动滚 筒和从 动滚 筒 的轴 线 平行度 误差较 大等 。另外 ， 清 扫不及 时 、 输送 机 滚 筒 机托辊 上沾有 煤尘 而使局 部直径 变 大也会使 胶带 发 生跑偏 。 胶带 撕 裂事 故 若 带式 输 送机 上 有 给料 机 且 给 料 机磨损严 重 ， 则 容 易 有矸 石 及 煤块 直 接 砸 胶 带或 矸石 及其 它 物 品 卡 胶 带 ， 从 而造 成 胶 带 撕 裂 事 故 。 另外 ， 也存 在 因胶 带严 重跑偏 而被 刮撕裂 、 胶带 接头 强度太低 或 因负荷 太 大使 胶带 接 头发 生 断裂 等 现象 。 2 系统组成 及硬件 设计 带式输送机智能保护系统主要 由传感器 、 主控 单元、 信号输入／ 输出接 口电路 、 通信接口电路、 显示 和声光报警装置、 控制断电电路等部分组成 ， 如图 1 所 示 。 1 主 控单元 主 控 单 元 选 用 西 门 子S 7 2 0 0 系 列 C P U2 2 6 I 3 ] ， 主要完成对采集数据的处理任务 ， 同时 配 以 彩 色 液 晶 显 示 屏 KXH0 ． 4 ／ 1 8 矿 用 本 安 型 跑偏传感器l I 烟雾传感器I l 急停传感器l l 速度传感器l I 温度传感器 自由通信 口 扩展 模块 工业 以太网 继电器 l I继电器 l l继电器 故障显示I I 超温洒水装置I I 伺服装置 『 I 磁力启动器『 I 声光报警装置 电动机 图 1 基于 P L C的带式输送机智能保护 系统组成 显示控制箱 作为人机 交互设备 。C P U2 2 6集成了 2 4个 输入 接 口和 1 6个输 出接 口 ， 具 有 6个 独 立 的 3 O k Hz 高速计数器和 1个 R S 4 8 5通信接 口， 支持 P P I 、 MP I 、 自由口、 P r o f i b u s D P通信协议 ， 可连接 7个 扩展模 块 。 主控 单 元 上 设 有 硬 件 电 路 处 理 高 速 数 字 量 I ／ o， 如 高速计 数器 输 入 、 高 速 脉 冲输 出 等 。这些 硬件电路在应用程序的控制下工作 ， 可达到很高的 频率 。但点数受到硬件资源的限制 ， 一些不需要高 速处 理 的 UO数 据点 可 按 常规 方式 处 理 ， 使 主控 单 元具有较快的运行速度和强大的内部集成功能 ， 可 用于较为复杂的煤矿中小型控制系统 ] 。 2 传感 器 系统速 度检 测采用 GS G 8矿用 本安 型速度 传感 器 。该 传感 器设 置 于带 式输 送 机 的下胶 带 处 ， 由钢 丝绳 紧 固在 胶带 运输 机 架 的 中 央 ， 其 测 速 轮 与下 胶 带接触 ， 由胶 带带 动测速 轮转 动 。测 速轮旋 转时 ， 速 度传感器的光电管在码盘的作用下产生有光、 无光 信号， 信号经放大随之产生高低电平脉冲， 脉冲送人 C P U2 2 6经处 理后 产生输 出信 号 。由于采 用光 电耦 合方式 ， 该速度传感器测速范围广 ， 低速性能好 ， 抗 干扰能力强 ， 可与带式输送机智能保护系统配套使 用 ， 作为 速度 加 速度 检测 设备 ， 实现对 带式输 送机 的低速打滑、 断带和超速保护。 系统 温度 检 测 采 用 G WP 2 0 0 一M 矿 用 本 安 型 温度传感器。该温度传感器采用集成感温探头 ， 监 测动力驱动滚筒在转动过程 中与运煤胶带摩擦产生 的热量 ， 一 般将 其安 装 于被 测点 附 近 距 被 测点 1 0 0 mm为宜 ， 也 可 以将 其 用 于对 煤 矿 井 下胶 带 输 送机的减速器高速轴、 电动机外壳 、 传动滚筒轴承座 表面等处的温度进行检测和保护。其输出为 2 0 0 ～ 1 0 0 0 Hz的频率信号。 8 8 工矿 自动化 2 0 1 1年 1月 系统 烟雾 检 测 采 用 GQQo ． 1矿 用本 安 型 烟雾 传感器。该烟雾传感器属于气敏型， 是利用气敏元 件对橡胶 、 煤燃烧的烟雾反应敏感的特性而设计制 作 的 。当火灾产 生 的烟雾进 入烟室 时 ， 浓 度越 高 ， 气 敏元 件输 出 的电流愈 大 ， 因此 ， 可 以利用气 敏元 件输 出电流 的变化来探 测 烟雾 的存 在 。烟雾传 感器 由烟 雾 头将外 界烟雾浓 度 的变化 转换为 电信号 并送 到检 测 电路进 行放大 处 理 ， 当被 测 环 境 的烟 雾 浓度 达 到 一 定值， 信号输出端常开点电平将发生翻转 ， 通过与 关联 设备 配套使用 实 现 烟雾 报 警 保护 与 超 温洒 水 装 置联动 。 系统 胶 带 跑偏 检 测 采 用 G E J 3 5 ／ 4矿 用 本 安 型 跑偏传感器。当胶带跑偏时， 胶带 与该跑偏传感器 的靠轮相接触 ， 从而使靠轮转动 。当胶带挤压靠轮 偏转 l 2 。 ～ 1 6 。 时， 一级行程开关动作 ， 输 出报警信 号 ； 当继续偏 转 3 0 。 ～3 5 。 时 ， 二 级行 程开关 输 出停 机 信号 ， 这时 若将其 接 至控 制 线 路 中 即可 实 现 自动停 机 。当胶 带正常运 行后 ， 靠轮 自动复 位 。 另外 ， 系统还 选 用 了 G VY一2 K 矿 用 本 安 型胶 带纵 向撕裂传 感器 、 GU J 2 0矿 用 本质 安 全 型煤 位开 关和 KHJ 0 ． 0 3 ／ 1 2矿用本安型急停开关等器件实现 系统对 带式输 送机 的各种 保护功 能 。 3 通 信联 网 S 7 2 0 0 PI C具有 MP I ／ Pr o f i b u s ／ P PI 、 以太 网 通信 、 自由 口通 信 等多种通 信模式 ， 使 系统可 满足现 场各种通 信控 制的扩 展需 求 。 3系统 软件设 计 按 照煤 矿胶 带 要 求 ， 带式 输送 机 常用 的保 护有 堆煤、 跑偏、 温度、 烟雾、 速度 、 超温洒水等[ 7 ] 。在胶 带 输送机 发 生 故 障 时 ， 这 些保 护都 存 在 相 互 关 系 。 该智能保护系统的 P I c控制程序采用故障判断法， 程 序设计 流程如 图 2所 示 。该 系统 可 以 单独 使 用 ， 按照开车程序要求进行 ； 当联 网通信时 有上 、 下级 关联设备 ， 交换数据信息响应上下级控制设备的闭 锁关 系 。 4结语 根据矿井带式输送机的运行特点和常见故障 ， 设计了带式输送机智能保护系统。该系统采用西门 子 S 7 2 0 0 P L C作为控 制核心， 可 实时采集现场 各种保护传感器数据， 并对带式输送机故障进行循 环综 合分 析判断 ， 实现 了带式输 送 机智能 保护 功能 。 另 外 ， 该 系 统可对 矿 井带 式输 送 机远 程控 制 提供 多 开始 程序初始化 正常 开车 扩展 设备 自动 洒水装置 ＼／ ● Y 报警、停机 自动 洒水装置 自动 洒水装置 Y Y l 报警、停机 t l 自 动 l洒水装置 Y 嶝 Y 故障停车 图 2 系统软件程序设计流程 种扩 展接 口， 具 有 较 高 的 实用 价 值 。该 系统 已应 用 于多个煤 矿 的带式输 送机 系统保 护 中 ， 效果 良好 。 参考文献 E l i 阳宪惠． 现场总线技术 及应 用[ M] ． 北 京 清华大学 出 版社 ， 2 0 0 2 ． E 2 ] 陈松立． 控 制电器与控 制系 统[ M] ． 徐 州 中国矿业 大 学 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 胡敏． 深入 浅 出西 门子 s 7 2 0 0 P L C [ M] ． 北京 北 京 航空航天大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 姜宏勋． 用 电控 方式实现 胶带输送 机扣 滑的保 护[ J ] ． 安徽纺织职业 技术 学院学报 ， 2 0 0 2 2 7 - 8 ． E s ] 吴金城 ， 孙冰 ， 孙雪薇 ， 等． 智能化矿井胶带输送机综合 安全保 护 系 统 [ J ] ． 北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报 ， 2 0 0 4 2 3 8 4 i ． [ 6 ] 杨徽 ， 顾涛 ， 邓健 平． 胶 带输送 机综合保 护监控 系统控 制器 的实现 上 E J ] ． 华北科 技学 院学报 ， 2 0 0 2 4 1 8 2O ． [ 7 3 沈树 国， 孙益． 井下带式输送机综合保护控制装 置[ J ] ． 煤炭科技 ， 2 0 0 2 ， 2 1 8 2 O 一 2 1 ． 一 N一