基于PLC的矿井猴车自动控制系统设计.pdf

2019 年第 11 期2019 年 11 月 0引言 猴车作为矿井生产运输中人员运输的关键设备， 兼具人员上下方便、设备维护操作简单、运输可随到 随行等诸多优点，被煤炭生产企业广泛使用。因此， 猴车自动控制系统作为矿井生产自动化领域的关键构 成部分，对整个矿井生产作业的安全、有效有着极大 的影响。有鉴于此，为更好地提升矿井生产作业的安 全性和综合效益，探究更加高效的猴车自动控制系统 设计十分重要。 1基于 PLC的矿井猴车自动控制系统设计要点 及整体设计 1.1设计要点 a 必须确保井下控制主站配套系统借助 PLC （可 编程逻辑控制器） 装置能对猴车在井下沿途运输中遭 遇的各类异常情况做出快速及时的响应，从而最大程 度保障猴车运行安全。 b 通过设置在地面监控系统的中央计算机，可实 现对井下猴车运行的远程监控，并对猴车运行参数进 行实时记录存储，以便为矿井生产管理提供数据支撑。 1.2整体设计 此次所设计的猴车自动控制系统主要构成组件包 括井下 PLC 控制主站、地面监控系统及 4 个远程 I/O （ 输入/输出 ） 分站。图 1 所示即为系统结构示意图。其 中井下 PLC 控制主站选用型号为 S7-300 的西门子系列 PLC 装置，用于对猴车行驶沿线各类保护信号和分站 信号的收集，从而达成对猴车运行的安全控制；地面 监控系统配套有专用的组态王软件，用于对猴车运行数 据进行实时记录，并可对猴车运行画面进行实时显示。 同时，井下 PLC 控制主站与地面监控系统之间借助型 号 CP343-1 的以太网通讯模块达成远程通讯，与井下 各远程分站之间借助 Profibus-DP 协议达成远程通讯[1]。 图 1猴车自动控制系统结构示意图 2井下 PLC 控制主站设计分析 图 2 为井下 PLC 控制主站设备分布构成示意图。 井下 PLC 控制主站的主要核心组件为控制箱和操作台。 图 2井下 PLC 控制主站设备分布构成示意图 收稿日期2019-09-11 作者简介李皓月，1987年生，男，山西临汾人，2010年毕业于阳 泉职业技术学院机电一体化专业，助理工程师。 基于 PLC 的矿井猴车自动控制系统设计 李皓月 （ 阳泉煤业 （ 集团 ） 股份有限公司二矿，山西 阳泉 045000 ） 摘要 在对基于 PLC 的矿井猴车自动控制系统设计要点和整体设计做出分析的基础上，对其井下 PLC 控制主站和地 面监控系统设计分别开展具体分析，希望能为其他矿井提供借鉴与参考。 关键词 矿井；猴车；PLC；自动控制 中图分类号 TD524文献标识码 A文章编号 2095-0802-201911-0132-02 Design of Automatic Control System for Mine Monkey Car Based on PLC LI Haoyue No.2 Coal Mine, Yangquan Coal Industry Group Co., Ltd., Yangquan 045000, Shanxi, China Abstract Based on the analysis of the design points and the overall design of the automatic control system of the mine monkey car based on PLC, this paper carried out a detailed analysis of the design of the underground PLC control master station and the ground monitoring system of it, hoping to provide reference for other mines. Key words mine; monkey car; PLC; automatic control （总第 170 期） 技术研究 地面监控系统 操作台 （含触摸屏）井下PLC控制主站各种监测、 保护信号 36拉线开关710拉线开关1114拉线开关机尾信号 I/O分站1I/O分站2I/O分站2I/O分站4 驱动阀制动阀 液压站 电机控制线 接线盒 接线盒 10芯线10芯线 拉线信号 电流信号 越位信号 到位信号 操作台 （含触摸屏） 速 度 信 号 控制箱 上 人 信 号 下 人 信 号 脱 槽 信 号 14芯控制线1 操作台电缆 14芯控制线2 压 力 开 关 油 温 开 关 油 位 开 关 132 2019 年第 11 期2019 年 11 月 2.1控制箱 2.1.1控制箱硬件 控制箱是整个猴车自动控制系统井下 PLC 控制主 站的核心组件，其硬件构成主要包括 PLC 装置和继电 装置。作业时工作人员根据 PLC 装置对所收集设备运 行数据的汇总分析，判定猴车运行的状态，进而针对 性地操控电机、液压站或报警装置，做出适宜的操控。 整个系统配设有 40 路数字量 I/O 控制点与 1 路电流模 拟量信号，其常用的数字量信号主要包含有各类检测 信号、传感信号和控制指令信号等，如越位保护信号、 控制按钮信号或上人传感信号等。表 1 为 PLC 数字量 输入输出模块 I/O 点数计算统计表。 表 1PLC 数字量输入输出模块 I/O 点数计算统计表 在正常作业状态下，当 PLC 装置接收到系统启动 运行信号后 （启动信号源于上人传感装置检测到有工 作人员上车，上位机发出上车信号或机头机尾开车按 钮被按下） ，PLC 装置会先向机头与机尾的上人报警装 置发送信号；上人报警装置启动预警 3 s 后，系统依次 操控启动电机控制装置、液压制动装置和驱动闸控制 器，猴车开始正式运行。猴车启动运行后，若持续 10 min 无人上车，则 PLC 装置会控制猴车停止运行； 期间若有人再次上车，则停止倒计时，计时器会重新 刷新。此外，在猴车正常运行过程中，PLC 装置一旦监 测到电机过载、猴车欠速或超速、人员越位、拉线开 关等异常现象，会立即发出预警信号并控制猴车系统 立即停车。 2.1.2控制箱软件程序 控制箱配套的软件程序采用梯形图语言编制而成， 编程方法为结构化编程，整个应用程序共划分为 1 个 主程序模块和 3 个子程序模块。作业时，主程序模块 负责对 3 个子程序模块的运行进行统一的组织、协调 和使用。图 3 为主程序模块流程示意图。 2.2操作台 操作台是实现猴车自动控制系统人机互动的中间 枢纽，作业时工作人员通过对操控台上各类操控按钮 的选择和控制，能对猴车运行进行针对性操控。操作 台上可选择的猴车作业方式包括两种，即正常作业方 式、强制作业方式。前者是指当保护发生后，相应的保 护信号会立即传输至井下 PLC 控制主站，并经过系统 的分析判定后输出对应的操控命令，对猴车运行进行 调控；后者是指当保护发生后，系统会脱离保护信号， 直接对猴车运行进行调控。操作台上可选择的猴车控 制方式包括远程控制、近程控制和自动控制三种类型。 其中，远程控制是指在地面控制中心通过查看猴车运 行监控画面，对猴车运行进行远程操控；近程控制是 指在井下通过猴车操作台对猴车进行直接控制；自动 控制是指系统在无人看守操控的情况下，通过预设的 智能操控指令，结合猴车人员上下情况，对猴车运行 状态进行自动化控制。一般来说，当控制方式为远程 控制或近程控制时，猴车控制仅能达成当前控制；而 当控制方式为自动控制时，其他两种控制方式也能达 成，但需要服从先到先执行的基本原则[2]。 图 3猴车井下 PLC 控制主站主程序模块流程示意图 3地面监控系统设计分析 地面监控系统配套软件采用组态王程序进行开发， 该软件能为使用者提供全面的可视化监控、数据获取 等功能。图 4 为上位机地面主监控系统示意图。 图 4上位机地面主监控系统示意图 该监控系统针对不同的作业人员，设定有级别不 等的权限，从而大幅提升了系统运行的安全性。同时， 对电机电流、电机速度、同步运输人数等变量设定有 不同的超限预警信号，在作业运行时一旦发生超限， 信号类型 类型数量类型数量类型数量 机头上人信号1急停1电机1 机头越位信号1手动关1制动阀1 机尾上人信号1手动开1驱动阀1 机尾上人信号1远控方式1语音报警1 机尾越位信号1近控方式1 机尾下人信号1自动控制1 拉线开关信号14正常方式1 速度保护信号1强制方式1 脱槽保护信号1复位作业1 重锤保护信号1 主站保护信号4 小计2794 总计40 远程控制 自动控制 近程控制 控制方式选择 停车检查 工作方式选择 正常强制 是是 否否 返回 各种保护 是否动作 主站保护 是否动作 初始化 （下转 180 页） 李皓月 基于 PLC 的矿井猴车自动控制系统设计 133 2019 年第 11 期2019 年 11 月 （上接 133 页） 系统会立即发出预警和相应的动态画面。此外，当保 护动作发生后，通过复位按钮无法复位猴车时，系统 还可通过暂时屏蔽保护信号的方法，对猴车进行重启。 4结语 矿井猴车自动控制系统作为井下猴车运行高质、 高效开展的有效保障，对矿井生产安全性的提高和综 合效益的增长均有着极大的帮助。应重视对相关系统 的研发，积极结合生产实际，设计适用性良好的猴车 自控系统，从而为矿井长久发展提供持续动力。 参考文献 ［1］ 李向东.基于 PLC 的猴车电控安全保护系统设计 ［J］ .当代化 工研究， 20195 181-182. ［2］ 陈有盘.猴车电控系统的改进与应用 ［G］ //福建省煤炭学会福 建省煤炭工业协会 2016 年学术年会论文集.北京 中国煤炭 学会， 2016 10. （ 责任编辑高志凤 ） 电机烧损事故。c 由于 8202 工作面煤质比较松软，工 作面煤壁出现大面积破碎，工作面割煤后煤壁不稳定， 很容易发生大面积片帮现象，造成端面空顶距加大，导 致顶板破碎严重，甚至引发冒顶事故。同时在过断层期 间工作面压力不稳定，片帮煤体堆积在刮板输送机上， 造成输送机允许负荷加大，溜尾堆积浮煤多，人工清理 难度大，劳动强度大，使得工作面推进速度减慢[1-3]。 3施工方案研究分析 受构造应力影响，8202 工作面在揭露断层前顶板 出现严重破碎现象，传统的采煤工艺已经不能保证工作 面安全快速推进。为了提高工作面的推进速度，保证工 作面正常生产，大同煤矿集团朔州煤电公司生产技术部 经过认真分析，制定出了一套针对 8202 工作面的垂直 煤壁架棚法带压开采，并对实际应用效果进行分析。 3.1垂直煤壁架棚法施工工艺 当 8202 工作面回采至 552 m 处时，在采煤机移架前 需在煤壁与顶板之间掏一个梁窝，梁窝的深度为 0.5 m， 宽度为 0.3 m，梁窝的施工地面选择在支架的前探梁中 间，梁窝的间距为 1.75 m。 在相邻支架间安装 2 根锚索，锚索间距为 1.5 m， 待锚索全部安装完毕后将 1 根长度为 2 m 的工字钢放 入梁窝，工字钢的另一端与锚索连接，如图 1 所示。 图 18202 工作面的垂直煤壁架棚施工平面示意图 在安装工字钢时，施工人员必须保证钢梁面与顶 板接触。为了保证顶板不出现大面积垮塌且不影响工 作面的推进速度，施工人员可以从头部端头架开始施 工，30 根工字钢作为一组，工作面每完成一组工字钢 的安装后，采煤机正常割煤，施工人员在采煤机割煤 的同时继续安装工字钢，相互之间不受影响。 当施工人员将工字钢安装到尾端头时，采煤机割 完一刀后，施工人员可以继续从头部开始安装工字钢， 这样交替施工直到整个工作面通过断层[4]。 为了保证施工人员的安全，在工作人员安装工字 钢前，对特别破碎的煤壁要用单体支柱进行支护并对 煤壁进行挂网。挂网步骤是a 将规格为长伊宽4.0 m伊 1.2 m 的菱形金属网挂在距离工作面 1.0 m 位置处，单 体柱上的 仔 梁与顶板严密接触；b 相邻金属网之间通 过铅丝连接，同时用钢管将金属网锲在煤壁上。 3.2应用效果分析 a 8202 工作面采用垂直煤壁架棚法带压法过 F4断 层，与传统带压法相比，在顶板安装棚梁后，加强了断 层破碎顶板支护，防止了端面顶板下沉、破碎和煤壁片 帮现象。后期回采期间，在揭露断层时，顶板破碎相对 严重，顶板最大下沉量仅为 0.12 m，煤壁最大片帮厚度 为 0.33 m，端面最大空顶距控制在 0.3 m 以下。b 顶板 施工锚索钢梁后，提高了工作面破碎顶板处支架初撑 力和工作阻力。通过观察发现，初撑力由原来的 65 提高至 89，工作阻力由原来的 62提高至 91，有 效保证了支架的支护效果。c 与传统方法相比，8202 工 作面采用垂直煤壁架棚法带压过 F4断层，工作面提前 6 d 过 F4断层，按每日生产 3伊104t 煤计算，可以增加 产量 1.8伊105t，同时，可以减少工作面压力对支架及采 煤机的破坏，节约设备维修成本费用达 8.76伊105元。 4结语 大同煤矿集团朔州煤电公司生产技术部通过技术 研究，对小峪煤矿 8202 工作面传统过 F4断层的方法及 存在的主要问题进行分析，并提出了垂直煤壁架棚法 过断层破碎带。通过实际应用发现，该方法不仅降低 了工作面过断层期间的设备故障率，加快了断层回采 速度，而且提高了支架支护效果，减少了顶板破碎、 煤壁片板现象，保证了工作面安全高效回采，取得了 显著的经济效益和安全效益。 参考文献 ［1］ 乔瑞.综采工作面过断层方法分析及安全措施研究 ［J］ .能源 技术与管理， 20192 64-66. ［2］ 王金梁.综采工作面过断层开采技术实践 ［J］ .当代化工研究， 20194 137-138. ［3］ 刘佳.1426D综采工作面过断层实践 ［J］ .山东煤炭科技， 20193 26-27. ［4］ 张保文.综采工作面过断层施工技术方案及实施 ［J］ .中国煤 炭工业， 20191 65-67. （ 责任编辑白洁 ） 液压支架 液压支架 液压支架 工字钢棚 单体支柱 梁窝 锚索 工 作 面 煤 壁 顶 板 破 碎 区 180