基于PLC的井下运输报警设计.pdf

2019 年第 11 期2019 年 11 月 0引言 伴随着煤矿井下生产的不断延伸，井下运输系统 运输长度不断增加，使得运输供电方式和运输量也发 生了显著的改变，主运输系统逐渐朝着高电压、大运 量和长距离方向发展，这就对井下运输装置运行的安 全有了更高的要求。在传统的井下运输中，运输机故 障保护系统运行稳定性和可靠性较低，不仅容易出现 误动的情况，而且故障动作保护后无法对故障类型进 行有效区分，缺少直观有效的预警信号，且难以确定 故障位置，导致故障处置效率偏低[1-2]。鉴于此，针对 井下运输开展探究，设计有效的故障预警体系，确保 故障发生后及时报警，对于提高运输机运行有效性意 义重大。在此，对一种基于 PLC 的运输机报警系统进 行分析。该系统通过对 PLC 技术和现场总线通信技术 的联合运用，实现了对多级运输的故障监测。 1系统硬件构成分析 整个带式运输机报警系统硬件构成包括 PLC 控制 主站和分站、各类监测传感器、控制开关和预警组件 等，图 1 所示为带式运输机报警系统构成示意图。其 中，PLC 控制主站布设于主运输机机头位置，用于对主 运输机启停的控制和对两个控制分站的数据交互；PLC 控制分站用于对下级运输机运行状态的实时监测。在 作业时，PLC 控制主站通过 CAN 工业现场总线与两个 分站连通，并对两个分站进行联动控制或单独控制。 常用的带式运输机运行监测传感器主要包括温度传感 器、烟雾传感器、堆煤传感器、速度传感器、跑偏传感器 等，实现对运输机各种运行状态的实时测定。传感器监测 所得的数据通过通信网络传递至 PLC 控制分站，经过分 析判定后，对主站输出监测结果或发出报警信号[3]。预警 组件包括 LED 显示屏、声光报警装置，可以对设备启停 状态、故障类型、故障位置进行精确的显示和提示。 图 1带式运输机报警系统构成示意图 1.1PLC 控制主站 图 2 所示为 PLC 控制主站构成示意图。PLC 控制 主站核心组件为 KJ403-F 本安型模块化 PLC，其包括 CPU 模块、通信模块、开关量模块等，可实现数据收 集、输出控制、远程通信和语音报警等。在 KJ403-F 本安型模块化 PLC 中配设有 8 个扩展通信模块，不仅 可以确保通信形式多样，而且通信距离远、抗干扰性 强，具有优良的适用性和通用性，可有效适应井下复杂 多变的作业环境[4]。 作业时，PLC 控制主站与 LED 显示装置相互配合， 收稿日期2019-10-13 作者简介吕文娟，1984年生，女，山西文水人，2008年毕业于山 西大同大学自动化专业，工程师。 基于 PLC 的井下运输报警设计 吕文娟 （ 山西煤矿设备安全技术检测中心，山西 太原 030045 ） 摘要 针对井下生产中常用带式运输机故障保护系统应用中所存在的稳定性差、报警信号缺乏直观性等问题，对基 于 PLC 的井下运输报警设计开展分析探究。从报警系统硬件构成和软件设计两方面对带式运输机报警系统进行了综合设 计，希望能为其他矿井相似工程的开展提供借鉴与参考。 关键词 矿井；PLC；带式运输机；运输报警；系统设计 中图分类号 TD634文献标识码 A文章编号 2095-0802-201911-0040-02 Design of Underground Transportation Alarm Based on PLC LYU Wenjuan Shanxi Coal Mine Equipment Safety Technology Testing Center, Taiyuan 030045, Shanxi, China Abstract Aiming at the problems of poor stability and lack of intuition of alarm signal in the application of fault protection sys- tem of belt conveyor commonly used in underground production, the alarm design of underground transportation based on PLC was analyzed and explored. This paper synthetically designed the alarm system of belt conveyor from two aspects of hardware com- position and software design, which hoped to provide reference for similar projects in other mines. Key words mine; PLC; belt conveyor; transportation alarm; system design （总第 170 期） 能源研究 127 V电源电缆 通信总线 监 测 传 感 器 控 制 开 关 PLC 控 制 分 站 PLC 控 制 分 站 监 测 传 感 器 控 制 开 关 预 警 信 号 输 出 预 警 信 号 输 出 控 制 开 关 工 作 状 态 显 示 PLC 控 制 主 站 PLC控制主站一级带式运输机二级带式运输机 40 2019 年第 11 期2019 年 11 月 （下转 49 页） 实时显示设备运行状态、所发生故障类型及位置等信 息，作业人员还可通过配套的操控键盘对故障信息进 行深入查看，做到全面了解，并结合现场实际自行对 运输机运行参数进行设置调控。同时，PLC 控制主站还 设有预警声音取消功能，若发生故障时无需输出语音， 可借由该功能将故障预警声音予以取消。此外，PLC 控 制主站还可对两个下级分站进行监控。图 3 所示即为 PLC 控制主站显示面板示意图。 图 2PLC 控制主站构成示意图 图 3PLC 控制主站显示面板示意图 1.2PLC 控制分站 PLC 控制分站在硬件构成上与控制主站基本一致， 仅在设备软件配置上存在差异。作业时，分站主要用 于对各级运输机作业状态、故障类型及位置等内容的 实时监控，并将监测所得数据通过通信系统上传至控 制主站，便于作业技术人员全面掌握设备运行数据。 1.3监测传感器和报警组件 受限于煤矿井下作业环境的复杂多变，井下所使 用的监测传感器必须具有高灵敏性、低故障率和长使 用周期。基于这一要求，本次所设计研究的报警系统 选用的传感器均结合井下实际需要确定，例如速度传 感器型号为 GSC5，温度传感器型号为 CWD75，烟雾传 感器型号为 GQQ0.1 等。这些传感器均能够与 PLC 控制 分站设备进行有效的连接并相互配合，从而实现运输 跑偏保护、堆煤保护、烟雾预警、高温预警、急停刹车 等[5]。配套的 LED 显示屏型号为 KXP/127L，该显示屏 采用隔爆本安型设计方式，可应用于高湿度、高粉尘、 高电压波动的恶劣井下环境中。图 4 所示即为 PLC 装 置与监测传感器及报警组件连接示意图。 图 4PLC 装置与监测传感器及报警组件连接示意图 2系统软件设计分析 整个带式运输机报警系统选用 PLC 联级控制模式， 通过 PLC 控制主站对各分站发布操控指令。作业时， 在各级运输带启动前，先对通信系统正常与否进行检 测，随后再对各传感器运行进行检测，确保无任何故 障隐患后，通过 LED 显示屏发出开车提醒信号。此时， 带式运输机开始点动运行，并在 5 s 后正式完成启动。 主运输机启动完成 15 s 后，下级运输机自行开始启动， 随后各级运输机按逆煤流方向依次延时启动。这种延 时启动方式不仅能够充分避免启动过程中发生煤矸石 撒落的情况，还能够有效规避启动电流对设备和电网 的冲击破坏。运行过程中若出现紧急状况而监控系统 未能及时反应时，作业人员还可通过布设于一级运输 机机头和二级运输机机尾处的急停开关手动停车。同 时，带式运输机故障发生并排除后，作业人员必须先 手动复位急停开关后才能正常启动运行，否则无法启 动，这有助于避免误启动的发生。 3结语 带式运输机作为煤矿井下生产运输中的关键设备， 其运行效率对矿井生产综合效益有着直接的影响。针 对带式运输机运行中环境复杂多变、各类故障容易多 发的情况，有针对性设计完善的故障报警系统，有效 运用 PLC 技术，实现对井下带式运输机运行状态的实 时监测，确保故障隐患的及时发现和高效处置，不仅 能够大幅提升带式运输机作业效率，还能够延长设备 使用周期，降低作业人员工作强度，从而为矿井的长 久发展提供良好支撑。 本安电源、 功率继电器输出、 非安开关量输入 KJ403-F本安型模块化PLC 文本显示器接线端子扬声器 开关量 输入 开关量 输出 模拟量 输入 远程 通信 IB-LDLK 模块 IB-AI 模块 IB-8CPU 模块 IB-8DOI 模块 IB-VOC 模块 带式运输机预警系统PLC控制主站 1号单台 设备停止 接触器已使用 2号单台 设备停止 接触器已使用 1号启车 2号停车 3号启车 4号停车 0次 0次 F1启车 F4复位 F2停车 F5消音 F3急停 F7翻页 F1 ESC F2 ENT F3 SET F4 CLR F5 /- F6F7 49 38 27 16 05 电源模块 127 V/36 V 隔爆兼 本安型 PLC 声光报警装置 二级带式运输机 洒水装置 一级带式运输机 LED预警显示条屏 通信模块 速度传感器 温度传感器 跑偏传感器 烟雾传感器 堆煤传感器 热释红外 人体感应传感器 液晶屏按键控制 手动启停按钮 拉绳急停开头 现 场 总 线 继 电 器 输 出 模 块 吕文娟 基于 PLC 的井下运输报警设计 41 2019 年第 11 期2019 年 11 月 （上接 41 页） 风速增大，出现 1 个风速高峰，之后开始下降，到傍晚 时分，风速恢复正常水平，并一直维持至次日。总体来 说风速较均匀，风速变化幅度较小。 2.3风速及风能频率分布 10 m、80 m 高度风速和风能频率分布直方图分别 如图 4、图 5 所示。10 m 高度 3耀10 m/s 风速所占比例为 69.11，风能所占比例为 63.83；10 m 高度 11耀22 m/s 风速所占比例为 3.73，风能所占比例为 35.62％。80 m 高度 3耀10 m/s 风速所占比例为 73.84，风能所占比例 为 54.39；80 m 高度 11耀22 m/s 风速所占比例为7.63， 风能所占比例为 45.31％。 图 410 m 高度风速和风能频率分布直方图 图 580 m 高度风速和风能频率分布直方图 2.4湍流强度和风切变指数 湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度， 反映脉动风速的相对强度。湍流强度低会对风力发电 机组整体性能产生一定影响，主要是减小输出功率， 可能引起极端荷载，最终削弱和破坏风力发电机组[2]。 风机承受的有效湍流强度均不能超过测风塔风场所在 区域所选用电机组类型的设计湍流强度。测风塔不同 高度的平均湍流强度计算成果见表 3。 表 3不同高度的平均湍流强度表 根据表 3 可知，风电场项目 10～80 m 高度湍流强 度均较小，15 m/s 风速湍流强度期望值区间为 0.12耀 0.14，为中等湍流强度，建议风机选用湍流强度 B 级及 以上的风电机组。 风切变指数用于描述风速随高度增加快慢的趋势， 根据风切变指数和仪器安装高度风速可估算出风力发 电机组的发电量[2]。分析测风塔各高度实测风速及风切 变指数，50耀70 m 高度平均风切变指数为 0.107 6。 2.5风电场 50 年一遇极端风速计算 风电场 50 年一遇最大风速是决定风电机组极限载 荷的关键指标，也是风电项目开发中机组选型和经济 评估的关键指标之一[3]。根据额敏气象观测站的数据推 算出风机轮毂高度，80 m 高度 50 年一遇最大风速值为 39.9 m/s，根据 IEC （ 国际电工委员会） 所规定的阵风 系数 1.4 模型来计算，推算出风电场 80 m 高度 50 年一 遇极大风速值为 55.8 m/s。根据 IEC 等级划分，该风电 场需选用 IIC 类及以上安全等级风电机组。 3结语 研究区域内，测风塔平均风速和风功率密度月变 化和日变化情况较为一致，通常 11 月前后为高值时期， 8 月前后为低值时期，风速白天相对较大，晚上相对较 小。80 m 高度平均风速为 5.39 m/s，平均风功率密度 为 201.69 W/m2。80 m 高度 3耀10 m/s 风速所占比例为 73.84，风能所占比例为 54.39；11耀22 m/s 风速所占 比例为 7.63，风能所占比例为 45.31％，具有较好的 开发潜力。 从本次实测风能参数结果来看，一六五团场风电 场主风向和最大风能密度的方向一致，以西南的风速、 风能最大和频次最高，盛行风向稳定。风速年内变化 小，全年均可发电，是一个理想的风力发电场。 参考文献 ［1］ 钟燕川， 马振峰， 郭海燕， 等.四川省会理县风能资源分析研 究 ［J］ .高原山地气象研究.2017， 372 72-77. ［2］ 于丽洁.新疆盐湖风电场电能资源评估分析 ［J］ .水电与新能 源， 2014， 127 71-74. ［3］ 黄勇.风电场 50 年一遇最大风速计算方法的探讨 ［J］ .水文气 象， 2016， 127 187-190. （ 责任编辑高志凤 ） 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 1516 17 1819 20 2122220.5 平均风速/m s-1 风速 风能 测风高度/m10406080 主导风向湍 流强度 0.134 20.110 90.098 90.095 7 15 m/s 风速 湍流强度 0.1390.1290.1230.119 参考文献 ［1］ 李登峰， 杨五命.磁窑沟煤矿运输系统改造技术应用 ［J］ .煤炭 工程， 2018， 50增刊 1 25-27. ［2］ 王楚， 夏松鸽， 靳栋栋.基于 PLC 的地面原煤运输自动控制系 统设计 ［J］ .煤矿机械， 2015， 364 262-265. ［3］ 王洋， 闫晓飞， 彭芳.PLC 在皮带运输机远程控制系统的应 用 ［J］ .信息通信， 20141 273. ［4］ 武剑林.基于 WinCC 组态软件的皮带运输监控系统 ［J］ .可编 程控制器与工厂自动化， 20133 65-69. ［5］ 孙世珂， 邵国良， 曲祖俊， 等.矿山运输皮带 PLC 智能控制系 统的研究与应用 ［J］ .数字技术与应用， 20136 29. （ 责任编辑刘晓芳 ） 魏欣桃 一六五团风电场风能资源分析与评价 49