煤礦井下皮帶輸送機(jī)PLC控制實(shí)踐探析

尹亞云

（晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司機(jī)電設(shè)備處， 山西 晉城 048006）

引言

PLC程序控制器是近年發(fā)展非常快速的可重復(fù)編程使用的裝置，它結(jié)合通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化的控制于一身，具有控制分散、控制順序、采集數(shù)據(jù)等多種功能，并具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便編程、較強(qiáng)適應(yīng)性、可靠運(yùn)行性等優(yōu)點(diǎn)，因此，PLC程控器是各行業(yè)實(shí)現(xiàn)電、機(jī)一體化最為主要的方式。由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)皮帶傳輸機(jī)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)集中控制和智能化的控制一直是煤礦企業(yè)的研究重點(diǎn)，所以，將程序控制器PLC引入皮帶傳輸機(jī)的控制中，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)皮帶傳輸機(jī)的工作狀態(tài)，現(xiàn)針對(duì)由4臺(tái)傳輸機(jī)組成的煤炭傳送系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究PLC程序控制器在皮帶傳輸機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。

1 皮帶傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

研究的對(duì)象是由4臺(tái)皮帶傳輸機(jī)組成煤炭傳送系統(tǒng)，如圖1所示，為了保證傳輸系統(tǒng)的安全性與可靠性，傳送系統(tǒng)具備手動(dòng)的控制與自動(dòng)的控制兩種控制方法，這兩種的控制可利用轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，操作系統(tǒng)都安裝在控制室里，工作人員可利用觸摸顯示屏控制，觀察設(shè)備、傳送系統(tǒng)的工作狀態(tài)。4臺(tái)皮帶傳送機(jī)形成的傳送系統(tǒng)將利用PLC進(jìn)行控制，設(shè)備工作狀態(tài)通過計(jì)算機(jī)控制監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。

為了達(dá)到傳送系統(tǒng)的高效性、安全性、可靠性，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)功能如下：

1）為了達(dá)到煤炭輸送的順序性，避免煤炭堆積，傳送系統(tǒng)設(shè)備的啟動(dòng)按照 M4（PD4）→M3（PD3）→M2（PD2）→M1（PD1）的順序輸送煤炭的方向依次啟動(dòng)，各皮帶傳輸機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)要依據(jù)需要間隔啟動(dòng)的時(shí)間進(jìn)行啟動(dòng)，通過研究確定間隔時(shí)間為15 s。關(guān)閉傳輸系統(tǒng)是要從 M1（PD1）→M2（PD2）→M3（PD3）→M4（PD4）的順序方向停機(jī)，各皮帶傳輸機(jī)電機(jī)的停止時(shí)間的間隔要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定，通過研究確定間隔時(shí)間為30 s，這樣可以減少滯留于皮帶的煤炭[2]。

圖1 運(yùn)輸煤炭系統(tǒng)的示意圖

2）在傳送系統(tǒng)工作的過程中，如果某臺(tái)傳送機(jī)出現(xiàn)故障，前面的皮帶傳送機(jī)與出現(xiàn)故障的傳送機(jī)將會(huì)自動(dòng)停機(jī)，后面的皮帶傳送機(jī)繼續(xù)工作，直到煤炭傳送完成將自動(dòng)停機(jī)。如：當(dāng)M2（PD2）出現(xiàn)故障，M1（PD1）與 M2（PD2）將會(huì)立刻停車，M3（PD3）與 M4（PD4）將根據(jù)設(shè)定時(shí)間停機(jī)，也就是30 s后M3（PD3）停機(jī)，過 30 s后，M4（PD4）停機(jī)，控制的流程如圖2所示。

圖2 煤炭傳輸中各皮帶電機(jī)控制連鎖方式

3）為了保證傳送系統(tǒng)具有的安全性，防止不可預(yù)料的原因造成皮帶傳輸機(jī)故障，傳送系統(tǒng)內(nèi)需引入急停裝置，可對(duì)4臺(tái)皮帶傳送機(jī)同時(shí)緊急停機(jī)。

4）為了提升傳送系統(tǒng)的工作效率，將皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度設(shè)計(jì)為可調(diào)式，本文的研究是將皮帶傳送速度的控制形勢(shì)設(shè)計(jì)成無(wú)級(jí)的調(diào)速與分級(jí)的調(diào)速兩個(gè)方式[3]。

5）利用系統(tǒng)監(jiān)控可實(shí)時(shí)掌握傳輸機(jī)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)中各功能報(bào)警的裝置能夠保證皮帶傳輸機(jī)安全、可靠運(yùn)行。

2 皮帶傳輸機(jī)程控器PLC的設(shè)計(jì)

2.1 PLC程控器

過去皮帶傳輸機(jī)的控制系統(tǒng)主要利用繼電器進(jìn)行控制，繼電器與控制開關(guān)以及相應(yīng)部件采用電纜連接，它的工作原理是利用繼電器觸點(diǎn)之間的串聯(lián)與并聯(lián)或延時(shí)元件實(shí)現(xiàn)邏輯方面的控制，這種控制系統(tǒng)容易受到環(huán)境因素的影響，控制定時(shí)的精度很低，工作時(shí)的頻率也很低，他只能完成簡(jiǎn)單的邏輯方面控制。程控器PLC需要重新進(jìn)行程序的編寫，PLC可根據(jù)程序指令實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶傳輸機(jī)的控制，它具有調(diào)整方便、控制精度高、控制速度快等特點(diǎn)，因?yàn)镻LC各功能高度集成，可實(shí)現(xiàn)過程控制、傳動(dòng)的控制、控制順序等應(yīng)用，適用于各種復(fù)雜的控制，所以本研究為保證安全，降低成本，應(yīng)用CPM2A歐姆龍程序控制器。

2.2 PLC程序系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

如圖3所展示的，在本次研究的項(xiàng)目中，工業(yè)用控制程序計(jì)算機(jī)被設(shè)定成為上位機(jī)，并同皮帶傳輸機(jī)的控制器PLC相聯(lián)接進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通訊。對(duì)各皮帶傳輸機(jī)工作運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行采樣，如檢測(cè)皮帶出現(xiàn)跑偏和煙霧的信號(hào)以及電機(jī)的溫度和皮帶的堆煤等運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，就會(huì)以數(shù)字或者是文字的信息形式在液晶屏上進(jìn)行顯示。如果在檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的數(shù)據(jù)信息就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，如果皮帶發(fā)生跑偏并超15°時(shí)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，如果煙霧和溫度發(fā)生異常同樣會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。當(dāng)達(dá)到控制設(shè)定峰值的時(shí)候即會(huì)被強(qiáng)制自動(dòng)停車[4]。

為了便于皮帶傳輸機(jī)進(jìn)行調(diào)速，在本次試驗(yàn)時(shí)預(yù)設(shè)了無(wú)級(jí)與分級(jí)兩種不同的調(diào)速方式，分級(jí)調(diào)速是指頻率在一定范圍中需要確定幾個(gè)均勻的速度當(dāng)作頻率輸出，無(wú)級(jí)調(diào)速是指變頻器在設(shè)定頻率范圍之間進(jìn)行的調(diào)速。

2.3 PLC程序控制系統(tǒng)

圖3 皮帶傳送系統(tǒng)的控制PLC控制流程

PLC程序控制情況如圖4所展示的。將PLC程序控制器進(jìn)行加電，同時(shí)子程序開始執(zhí)行初始化命令。然后是無(wú)級(jí)和分級(jí)變頻程序調(diào)速控制主導(dǎo)傳輸機(jī)進(jìn)行調(diào)速工作，變頻調(diào)速范圍標(biāo)準(zhǔn)是0～60 Hz。選擇比較均勻的頻率當(dāng)作頻率輸出，它們是6.2 Hz、11.5 Hz、5.8 Hz和50.4 Hz，從而實(shí)現(xiàn)皮帶傳輸機(jī)的四級(jí)頻率調(diào)速。并且調(diào)速的控制按鈕功能互鎖，只能支持一個(gè)頻率速度位功能存在，避免出現(xiàn)各個(gè)梯級(jí)的沖突。通過預(yù)設(shè)0～60 Hz范圍頻率內(nèi)輸出無(wú)級(jí)設(shè)計(jì)調(diào)速，其中f=ax（0≤x≤16.5，x∈Z；a取經(jīng)驗(yàn)值3.27），如此即能通過x值的控制皮帶傳輸機(jī)調(diào)速。啟停聯(lián)鎖程序控制完成皮帶傳輸機(jī)啟動(dòng)及其停車聯(lián)鎖，并且可以根據(jù)突發(fā)等意外情況對(duì)皮帶傳輸機(jī)進(jìn)行部分或是全部停車。

圖4 PLC控制程序流程

3 PLC系統(tǒng)控制抗干擾程序措施

PLC系統(tǒng)控制程序具有的優(yōu)勢(shì)是功能性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、有較強(qiáng)的抗干擾能力等。但若是處于強(qiáng)磁場(chǎng)或是強(qiáng)電場(chǎng)的高壓高頻影響之中，PLC系統(tǒng)控制器就會(huì)發(fā)生控制的精準(zhǔn)度下降以及丟失數(shù)據(jù)等狀況。分析可知，PLC系統(tǒng)控制的干擾源一般分為引入電源線或是信號(hào)線造成干擾以及系統(tǒng)接地干擾。信號(hào)線以及電源線有可能會(huì)造成電磁場(chǎng)或是電流場(chǎng)的紊亂，接地程序系統(tǒng)紊亂則會(huì)導(dǎo)致接地點(diǎn)的傳輸電位不穩(wěn)定不均勻，引發(fā)地環(huán)樣電流，這些情況都能夠?qū)LC系統(tǒng)控制產(chǎn)生影響。所以，需要采取有效措施進(jìn)一步提高PLC系統(tǒng)控制抗干擾的基本能力[5]。

1）選取專用功能電源，把專用電源同其他運(yùn)行設(shè)備的使用電源完全分開，從而避免其他運(yùn)行的設(shè)備在進(jìn)行啟停的時(shí)候影響供電專用電源。選取隔離式變壓器把系統(tǒng)的控制電源和PLC進(jìn)行隔離，與此同時(shí)還要在隔離式變壓器同PLC之間加上濾波器，盡可能避免任何信號(hào)對(duì)PLC系統(tǒng)控制造成干擾。

2）在輸入交流頻率信號(hào)端將壓敏電阻并聯(lián)，在輸入直頻率流信號(hào)端將二級(jí)管續(xù)流并聯(lián)。在輸出直流頻率信號(hào)端接壓敏電阻，在輸出交流頻率信號(hào)端接壓敏電阻，在輸出晶閘管和晶體管端接電阻旁路保護(hù)。

3）PLC系統(tǒng)控制要選取一點(diǎn)直接的接地形式，同時(shí)需要盡量避免地環(huán)流導(dǎo)致的干擾，接地用電纜的截面不能比2 mm2低。接地用的電阻不能比100 Ω高，并且地線一定要使用專用的標(biāo)準(zhǔn)地線。

4 結(jié)語(yǔ)

井下煤礦皮帶傳輸機(jī)運(yùn)行正常是保障穩(wěn)定生產(chǎn)的基本條件，目前皮帶傳輸機(jī)大多使用的是人工技術(shù)控制，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性都不能得以保障。作為目前最先進(jìn)的現(xiàn)代PLC技術(shù)控制手段，把它應(yīng)用于井下作業(yè)的皮帶傳輸機(jī)能夠極大地提高系統(tǒng)運(yùn)輸自動(dòng)化性能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)，還能夠通過改變PLC編程參數(shù)控制增減功能程序模塊實(shí)現(xiàn)PLC效果的提高。另外，對(duì)皮帶機(jī)尾煤或上部皮帶機(jī)頭煤量監(jiān)視，可以減少皮帶空轉(zhuǎn)情況。PLC的控制技術(shù)是井下作業(yè)皮帶控制未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。