基于PLC 技術(shù)的皮帶輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

白慧鵬

（西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西 太原 030022）

引言

皮帶輸送機(jī)是礦井生產(chǎn)過程中的重要運(yùn)輸設(shè)備，負(fù)責(zé)將井下綜采工作面的原煤運(yùn)輸?shù)骄酌簜}，然后通過提升機(jī)運(yùn)輸至地表。皮帶運(yùn)輸機(jī)可以實(shí)現(xiàn)井下長距離運(yùn)輸[1]，對井下巷道平整度和軸線偏差要求低，對井下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)中，井下運(yùn)輸巷道內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，通過工作人員將兩者聯(lián)系起來，井下監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給控制室人機(jī)交互界面，工作人員根據(jù)井下的監(jiān)測信息控制皮帶輸送機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動作，確保皮帶輸送機(jī)的正常運(yùn)行[2]，這種控制方法受人為因素的影響，控制精度低、及時性差，難以滿足井下皮帶輸送機(jī)精細(xì)化控制的要求。

利用PLC 監(jiān)控技術(shù)取代人的作用，把皮帶輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，排除人為因素的不利影響，經(jīng)過預(yù)先存入PLC 控制器中的邏輯語句的判斷，實(shí)時控制皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對井下原煤運(yùn)輸?shù)闹悄芑蛣討B(tài)化控制，提高了皮帶輸送機(jī)的安全性和耐久性[3]。

1 皮帶輸送機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

皮帶在下部托輥摩擦力作用下沿機(jī)架方向運(yùn)動，原煤隨皮帶實(shí)現(xiàn)從下水平綜采工作面至上水平井底煤倉的空間位置變化，對井下長距離巷道或小角度巷道常采用皮帶輸送機(jī)串聯(lián)的方式運(yùn)輸原煤，皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

如圖1 所示，圖中A 為驅(qū)動滾筒，B 為機(jī)架，C 為皮帶，D 為托輥。原煤是一種脆性易燃材料，在外力作用下容易破碎，同時產(chǎn)生可燃性粉塵懸浮在井下空氣中，在點(diǎn)火源作用下，極易發(fā)生爆燃，危害井下生產(chǎn)安全；皮帶是一種柔性材料，其強(qiáng)度和耐久度存在一定的限值，使用過程中存在外力割裂或長時間使用后強(qiáng)度降低的情況；皮帶輸送機(jī)輸送線路長，工作環(huán)境復(fù)雜，較長的運(yùn)輸線路使皮帶極易發(fā)生跑偏。

圖1 皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2 PLC 技術(shù)機(jī)理

PLC 技術(shù)以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)構(gòu)成設(shè)備自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、智能判斷、動態(tài)控制功能的三位一體。PLC 控制皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的信息傳輸流程為：井下監(jiān)測設(shè)備實(shí)時監(jiān)測皮帶輸送機(jī)運(yùn)行時的煙霧濃度、皮帶跑偏值、皮帶撕裂等工況參數(shù)，監(jiān)測電信號在A/D 轉(zhuǎn)換器作用下，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入PLC 控制器，經(jīng)預(yù)先存入控制器的邏輯語句的判斷，輸出相應(yīng)的設(shè)備動作信號，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器作用轉(zhuǎn)換為可被設(shè)備識別的電信號，控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動作。PLC自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是控制器中邏輯判斷語句的編輯，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)選定設(shè)備運(yùn)行時各監(jiān)測參數(shù)的預(yù)警值和安全限值，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)達(dá)到預(yù)警值或安全限值時，PLC 控制器控制設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作，控制器中的邏輯判斷流程如圖2 所示。

圖2 PLC 控制器邏輯判斷流程圖

如圖2 所示，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)選定合理的預(yù)警值和安全限值，設(shè)計與預(yù)警值和安全限值相對應(yīng)的設(shè)備動作，見表1。

表1 皮帶輸送機(jī)監(jiān)測值與動作信號

監(jiān)測電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入PLC 控制器進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)小于預(yù)警值時，設(shè)備正常運(yùn)行；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)大于預(yù)警值小于安全限值時，PLC 控制器控制設(shè)備系統(tǒng)執(zhí)行動作A1、A2；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)大于安全限值時，PLC 控制器控制設(shè)備系統(tǒng)執(zhí)行動作B1、B2，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的自動化控制。

3 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

在皮帶輸送機(jī)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中，選定科學(xué)合理的監(jiān)測參數(shù)是自動化控制系統(tǒng)設(shè)計的前提，PLC 控制器中存入的邏輯語句是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。

3.1 自動控制系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)布置

原煤燃燒、粉塵濃度超限、皮帶割裂、皮帶跑偏是皮帶輸送機(jī)運(yùn)行時的常見故障，對井下安全生產(chǎn)危害極大，根據(jù)皮帶輸送機(jī)的故障特點(diǎn)，選定粉塵濃度、皮帶跑偏值、煙霧濃度和皮帶撕裂作為皮帶輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)，在井下設(shè)備的合理位置布置監(jiān)測點(diǎn)，見圖3。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)位置圖

如圖3 所示，圖中1 區(qū)為兩臺串聯(lián)皮帶輸送機(jī)相接位置，前后兩臺設(shè)備在1 區(qū)存在一定的高差，原煤從前一臺皮帶輸送機(jī)掉落在后一臺皮帶輸送機(jī)上時，脆性原煤相互碰撞摩擦，原煤塊極易破碎產(chǎn)生粉塵，隨著原煤運(yùn)輸量的增大，皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行時間延長，1 區(qū)粉塵濃度不斷增加，導(dǎo)致粉塵爆燃隱患，在1區(qū)設(shè)置粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)；皮帶或原煤燃燒時產(chǎn)生大量密度小于空氣密度的煙霧，聚集在巷道的上部2區(qū)，因此在2 區(qū)內(nèi)均勻布置煙霧感應(yīng)器，實(shí)時監(jiān)測井下原煤是否發(fā)生燃燒；當(dāng)皮帶因磨損或割裂時，泄露的原煤穿過皮帶落在3 區(qū)范圍內(nèi)，在3 區(qū)內(nèi)沿皮帶運(yùn)行方向均勻布置皮帶撕裂監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)皮帶撕裂情況及時控制皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；在皮帶輸送機(jī)的兩端機(jī)架位置4 區(qū)內(nèi)，布置跑偏值監(jiān)測設(shè)備實(shí)時監(jiān)測皮帶輸送機(jī)的跑偏值，根據(jù)跑偏值的大小控制設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

3.2 邏輯控制語句設(shè)計

根據(jù)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，PLC 控制器中輸入的與監(jiān)測信號相對應(yīng)的動作A1、B1 為控制報警系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，A2 為控制設(shè)備降低運(yùn)行速度，B2 為控制設(shè)備緊急制動，見表2。

表2 與監(jiān)測值對應(yīng)的動作信號

監(jiān)測電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入PLC 控制器進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)小于預(yù)警值時，設(shè)備正常運(yùn)行；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)大于預(yù)警值小于安全限值時，PLC 控制器控制報警系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，同時控制設(shè)備降低運(yùn)行速度，由作業(yè)人員復(fù)核井下生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)，并及時排除設(shè)備故障；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)大于安全限值時，設(shè)備運(yùn)行工況危及井下安全生產(chǎn)，PLC 控制器控制報警系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，同時控制設(shè)備進(jìn)行緊急制動，由維修人員及時排除故障，當(dāng)井下環(huán)境危及作業(yè)人員安全時應(yīng)及時撤離井下作業(yè)人員。

井下監(jiān)測設(shè)備實(shí)時監(jiān)測皮帶輸送機(jī)的粉塵濃度、皮帶跑偏值、煙霧濃度和皮帶撕裂，并實(shí)時反饋給PLC 控制系統(tǒng)，經(jīng)PLC 控制器中預(yù)先存入的邏輯語句的判斷，輸出想用的動作控制信號，控制皮帶輸送機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動作，實(shí)現(xiàn)對皮帶輸送機(jī)的動態(tài)化、智能化控制。

4 自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用

某礦西翼一采區(qū)配備兩臺DT75 型皮帶輸送機(jī)，皮帶寬度1 000 mm，使用鋼絲繩芯膠帶，設(shè)計帶速2.5 m/s，設(shè)計運(yùn)距2 200 m，利用自動化控制技術(shù)對皮帶輸送機(jī)進(jìn)行智能化改造：在兩臺串聯(lián)皮帶輸送機(jī)相接觸的1 區(qū)布置光電式粉塵濃度檢測儀，實(shí)時監(jiān)測1區(qū)粉塵濃度；在巷道上部2 區(qū)煙霧容易聚集處布置GQQ 型點(diǎn)式感煙設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測2 區(qū)煙霧濃度，判斷皮帶上原煤是否發(fā)生燃燒；在皮帶下方3 區(qū)均勻布置GVJ 型礦用撕裂傳感器，實(shí)時監(jiān)測皮帶是否發(fā)生撕裂故障；在皮帶輸送機(jī)兩端托架上4 區(qū)安裝GEJ 型跑偏傳感器，實(shí)時監(jiān)測皮帶跑偏值，根據(jù)該礦西翼三采區(qū)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行工況條件，選定該皮帶輸送機(jī)的預(yù)警值和安全限值見表3。

表3 某礦自動化控制系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)

如表3 所示，當(dāng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到1 區(qū)粉塵濃度大于預(yù)警值1.5%、2 區(qū)煙霧濃度大于預(yù)警值3%或4 區(qū)皮帶跑偏值大于預(yù)警值7°且小于安全限值時，自動化控制系統(tǒng)控制輸出動作A1、A2 信號，控制報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號，同時控制皮帶輸送機(jī)降低運(yùn)行速度，由工作人員及時排除設(shè)備故障后恢復(fù)運(yùn)行；當(dāng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到1 區(qū)粉塵濃度大于安全限值2%、2區(qū)煙霧濃度大于安全限值3%、4 區(qū)皮帶跑偏值大于安全限值7°或3 區(qū)監(jiān)測到皮帶撕裂時，自動化控制系統(tǒng)控制輸出動作B1、B2 信號，控制報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號，同時控制皮帶輸送機(jī)采取緊急制動措施，由工作人員及時排除設(shè)備故障；當(dāng)1 區(qū)粉塵濃度大于安全限值2%或2 區(qū)煙霧濃度大于安全限值3%時，表明運(yùn)輸巷道內(nèi)發(fā)生原煤燃燒事故，或串聯(lián)皮帶交界處粉塵濃度超限存在爆燃可能，嚴(yán)重危及井下安全生產(chǎn)，因此在采取緊急制動措施的同時，應(yīng)撤離井下工作人員。

對該礦一采區(qū)皮帶輸送機(jī)進(jìn)行自動化改造后，能實(shí)時監(jiān)測井下粉塵濃度、煙霧濃度、皮帶跑偏值和皮帶撕裂情況，通過設(shè)置合理的預(yù)警值和安全限值，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)達(dá)到預(yù)警值時，及時控制并降低設(shè)備運(yùn)行速度，防止設(shè)備故障情況惡化，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)達(dá)到安全限制時，及時控制設(shè)備緊急制動，防止損失進(jìn)一步擴(kuò)大。該礦皮帶輸送機(jī)經(jīng)優(yōu)化后，利用PLC 控制器代替了人工的判斷和指令作用，提高了皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)的智能化，根據(jù)井下生產(chǎn)環(huán)境實(shí)時控制皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行，提高了皮帶輸送機(jī)的安全性和耐久性，經(jīng)實(shí)踐證明，具有一定的使用價值。

5 結(jié)論

1）闡明了皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，分析了PLC 技術(shù)機(jī)理和PLC 控制器中監(jiān)測參數(shù)判斷流程，選定粉塵濃度、煙霧濃度、皮帶跑偏值和皮帶撕裂作為井下監(jiān)測參數(shù)，設(shè)計了一套皮帶輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)。

2）利用PLC 自動控制系統(tǒng)對某礦一采區(qū)運(yùn)輸大巷皮帶輸送機(jī)進(jìn)行自動化改造，結(jié)果表明：改造后的皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)安全性和耐久性明顯增強(qiáng)。