基于PLC 的井下煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜明偉

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

引言

在井下煤礦開采過程中，對(duì)開采的煤炭進(jìn)行運(yùn)輸非常重要[1]。由于井下環(huán)境較差、巷道長(zhǎng)又曲折，所以若不能順利地進(jìn)行煤炭運(yùn)輸，則會(huì)影響整個(gè)開采過程。皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、適用范圍廣、輸送能力大等優(yōu)勢(shì)成為煤礦開采的核心運(yùn)輸工具。由于井下工作條件差、采光不好、安全性差，所以工作人員在井下很難對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。因此，對(duì)煤礦開采進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制迫在眉睫。

本文基于S7-300 型PLC，對(duì)井下煤礦運(yùn)輸設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了由觸摸屏和PLC 組成的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下煤礦運(yùn)輸設(shè)備的安全、可靠、高效監(jiān)控。

1 井下煤礦運(yùn)輸設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求

1.1 皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的控制要求

因?yàn)檫\(yùn)輸系統(tǒng)在煤礦開采中尤為重要，故監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足以下要求：第一，需要對(duì)井下煤礦開采進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)控制，對(duì)運(yùn)輸工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。第二，當(dāng)需要開采時(shí)，首先集控臺(tái)先發(fā)出預(yù)備通知信號(hào)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，看其是否滿足啟動(dòng)要求，預(yù)備通知信號(hào)持續(xù)時(shí)間為30 s，如果符合要求，則設(shè)備開始啟動(dòng)[3]。第三，控制方式應(yīng)該分為三種，分別是就地、自動(dòng)化集中控制、手動(dòng)進(jìn)行集中控制，并且控制方式必須能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第四，當(dāng)設(shè)備損壞或發(fā)生事故時(shí)，要能夠通過聲光提示及時(shí)報(bào)警。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的功能及主要設(shè)備選型

井下煤礦運(yùn)輸設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)包括PLC 操控系統(tǒng)、人機(jī)交互界面等部分。為了預(yù)防皮帶跑偏問題，將KG1007A 型皮帶防跑偏開關(guān)安裝在易發(fā)生皮帶跑偏的地方。安裝一個(gè)KJ5007A 型速度傳感器對(duì)設(shè)備的運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以進(jìn)一步預(yù)防超速、皮帶斷裂等故障的發(fā)生。為了防止驅(qū)動(dòng)滾筒打滑，安裝一個(gè)打滑保護(hù)裝置，可以自動(dòng)監(jiān)視驅(qū)動(dòng)滾筒，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)調(diào)整或者停止[4]。為了防止皮帶因打滑摩擦引起著火，本文采用了KGN1-1 型煙霧傳感器。安裝一個(gè)急停閉鎖開關(guān)，型號(hào)為KG9001A-C，當(dāng)發(fā)生緊急事故時(shí)，可以通過急停開關(guān)緊急停止設(shè)備[5]。選擇操作臺(tái)及觸摸屏作為人機(jī)交互界面。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組態(tài)

監(jiān)控系統(tǒng)采用三級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制[6]。三級(jí)控制系統(tǒng)包括進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集并上傳的遠(yuǎn)程I/O、進(jìn)行邏輯處理及控制任務(wù)的PLC 和工業(yè)計(jì)算機(jī)。下頁(yè)表1 為I/O 地址分配表，可以根據(jù)表1 獲得控制系統(tǒng)I/O 點(diǎn)數(shù)。

表1 I/O 地址分配

本系統(tǒng)選用SIEMENS 公司S7-300 的PLC，配置清單見下頁(yè)表2。

表2 PLC 配置清單

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件及防干擾設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制臺(tái)上根據(jù)控制方式設(shè)置了相應(yīng)的選擇開關(guān)，并且需注意的一點(diǎn)是，設(shè)備運(yùn)行過程中不可改變控制方式。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，可以通過觸摸屏上的顯示燈查看當(dāng)前選擇的控制方式。采用STEP 7 MicroWIN 進(jìn)行編程，同時(shí)結(jié)合下頁(yè)表1 中I/O 地址分配信息選擇合適的控制方式。以就地控制方式為例，本系統(tǒng)的控制臺(tái)上有CST 啟動(dòng)、停止、慢動(dòng)、急停四個(gè)手動(dòng)按鈕。工作人員可以根據(jù)以上四個(gè)按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停操作。需特別注意的是，在就地控制方式下，CST 慢動(dòng)按鈕不可以使用。按下CST 啟動(dòng)按鈕之后，會(huì)有30 s 的預(yù)警聲響，以檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)是否滿足啟動(dòng)要求[7]。只有在無(wú)故障啟動(dòng)的情況下，預(yù)警才會(huì)成功。

為了保障設(shè)備的正常運(yùn)行，需要進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。故障信號(hào)分為兩類，分別是數(shù)字信號(hào)、模擬量信號(hào)。數(shù)字信號(hào)有兩種表示，分別是“1”和“0”?！?”是報(bào)警信號(hào)，表示設(shè)備發(fā)生故障；“0”表示無(wú)故障發(fā)生，設(shè)備正常工作。當(dāng)收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，可以通過CST 急停按鈕讓設(shè)備緊急停止運(yùn)行，或者發(fā)出聲光進(jìn)行報(bào)警。模擬量信號(hào)即是電壓信號(hào)、電流信號(hào)，可以在模擬輸入模塊轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字形式。觸摸屏由PROTOOL 軟件設(shè)計(jì)，畫面選擇基于WINDOWS 系統(tǒng)的TP270“6”。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的防干擾設(shè)計(jì)

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往存在很多干擾源，影響監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)的時(shí)序，使程序無(wú)法運(yùn)行。故必須通過相應(yīng)的抗干擾措施，防止干擾源對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而保證設(shè)備安全、可靠、高效地運(yùn)行，使得軟件性能更加合理完善。抗干擾措施如下：第一，為有效降低電網(wǎng)中的干擾信號(hào)，需結(jié)合實(shí)際情況，將隔離變壓器安裝在電源的入口，進(jìn)而降低噪聲干擾[8]。第二，為了降低噪聲并防止干擾，采用綜合接地方式，進(jìn)行接地防干擾。第三，通過使用雙絞屏蔽線或電纜對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的干擾源進(jìn)行屏蔽，防止干擾。第四，配線安排抗干擾。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

由現(xiàn)場(chǎng)層（遠(yuǎn)程I/O）完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和上傳?？刂茖樱≒LC）進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和程序控制，將信息上傳到控制臺(tái)。管理層（工業(yè)計(jì)算機(jī)）通過PROTOOL 軟件設(shè)計(jì)的觸摸屏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。操作員可以通過觸摸屏和操控臺(tái)得知現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，并進(jìn)行相應(yīng)的操作?，F(xiàn)場(chǎng)的過程參數(shù)（壓力、電流等）經(jīng)過遠(yuǎn)程I/O 采集上傳，經(jīng)電纜傳送至PLC，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。然后通過操控臺(tái)傳送給觸摸屏，并在觸摸屏上顯示。在本系統(tǒng)中，觸摸屏共有七個(gè)界面，其中畫面1 為首頁(yè)；通過指示燈及數(shù)字表明設(shè)備的運(yùn)行情況的啟動(dòng)控制顯示畫面（界面2）；界面3 是故障信號(hào)提醒界面，發(fā)生故障時(shí)，可以通過信號(hào)燈進(jìn)行相應(yīng)的故障顯示；界面4 為各定子的溫度顯示界面；界面6 及界面7 是故障保護(hù)屏蔽選擇界面，若想將故障保護(hù)屏蔽掉，則可以按“XX 屏蔽”，若想取消屏蔽保護(hù)，則按“XX 屏蔽取消”就可以了。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)還為不同的用戶設(shè)置了相應(yīng)的權(quán)限。具體如下頁(yè)圖1—圖3 所示。

圖1 觸摸屏（界面2、界面3）

圖2 觸摸屏（界面4、界面5）

圖3 觸摸屏（界面6、界面7）

5 結(jié)論

由于井下工作條件差、采光不好、安全性差，所以工作人員在井下很難對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為保證其安全、高效運(yùn)行，本文以PLC 為核心，通過對(duì)井下煤礦運(yùn)輸設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能和需求進(jìn)行分析，對(duì)井下煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了硬件組態(tài)和軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)造了由操作臺(tái)及PLC 組成的單條皮帶與單臺(tái)給煤機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。通過實(shí)踐證明，該監(jiān)控系統(tǒng)是行之有效的。綜合運(yùn)用上述監(jiān)控系統(tǒng)可以使運(yùn)輸設(shè)備安全、可靠、高效地運(yùn)行，降低系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)的工作強(qiáng)度。