基于PLC和组态软件的煤矿皮带运输机监控系统的设计

张 涛

(华北科技学院电子信息工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

中国是世界第一大产煤国。煤炭是我国最为重要的动力能源，也是重要的化工原料。煤矿安全生产监控系统是提高矿井安全生产水平和安全生产管理效率的重要保证之一，是提高我国煤矿安全、高效、有序生产的重要途径，是我国煤矿企业走向现代化管理的必由之路。

皮带运输系统因其结构简单，传输量大，使用方便，被广泛应用于农业、工业、商业、军事等方面，在采矿运输、车站及码头的货物运输更是使用广泛。我国煤矿井下输煤系统大多数采用皮带运输机进行传输，皮带运输机运输系统是煤矿生产的重要组成部分，其安全、可靠和高效的运煤工作，对提高煤矿生产效率和经济效益有巨大的作用。

由于煤矿井下环境恶劣，皮带运输机经常出现跑偏、打滑、纵向撕裂、燃烧、断带等故障，这不仅影响煤矿生产，也给煤矿安全带来巨大威胁，从而耗费大量人力、物力资源。这就要求皮带运输机系统始终处于完好的运行状态，从而也对皮带运输机监控系统的性能提出更高的要求。

1 煤矿皮带运输机监控系统的研发现状

目前，国外皮带运输机技术发展很快，其大体向两个方向发展：一方面是体现在皮带运输机的外形上，皮带运输机呈现机型多元化、应用范围扩大化的发展趋势，例如国外生产的各种管状带式皮带运输机、高倾角带式皮带运输机等各种机型；另一方面体现在皮带运输机在本身的装备和技术上都有了显著的提高，特别是高速度、长距离、超运量、高保障等大型皮带运输机已经成了主要的发展方向，其主要是开发利用了皮带运输机的远程监控技术和动态分析技术。

80年代末期以来，我国煤矿皮带运输机也有了很大的发展，对皮带运输机的关键技术研究和新产品的开发也已经取得了可喜的成绩。例如我国生产的顺槽可伸缩式皮带运输机与大倾角长距离皮带运输机成套设备等，在产品技术和性能上都有了极大的提高，填补了国内的空白，关于皮带运输机的主要元部件和关键技术都进行了深入的理论研究并进行了产品开发，已经研制成功了许多软启动和制动设备。但是，我国煤矿皮带运输机在远程监控技术和动态分析技术方面仍与国外先进技术存在较大差距。

皮带运输机监控系统是对煤矿井下运煤皮带运输机的生产参数进行监视与控制的系统，这些生产参数包括皮带运输机的运行速度、单位时间产量，以及皮带的温度、跑偏、撕裂等参数。典型的皮带运输机及其监控系统的基本组成如图1所示[1-2]。

图1 典型的煤矿皮带运输机及其监控系统的基本组成

2 煤矿皮带运输机监控系统的系统设计

针对现有的煤矿皮带运输机监控系统开发过程复杂、研发周期长、用户无法二次开发等缺点和不足，本文提出了采用计算机构成煤矿皮带运输机监控系统的地面监控主站、采用可编程逻辑控制器(PLC)来构成煤矿皮带运输机监控系统的井下监控分站、采用专用编程软件和组态软件来开发构建煤矿皮带运输机监控系统的新型设计方法。

本系统采用基于Profibus-DP现场总线架构的基础来构成煤矿皮带运输机监控系统。整个系统包括三部分：第一部分是1台计算机构成地面监控主站，即1个Profibus-DP主站；第二部分是3台可编程逻辑控制器(PLC)构成井下监控分站，即3个Profibus-DP从站；第三部分是由皮带运输机的各种矿用传感器和执行机构组成的测控装置。基于Profibus-DP的煤矿皮带运输机监控系统的网络拓扑图如图2所示[3-4]。

图2 基于Profibus-DP的煤矿皮带运输机监控系统

3 煤矿皮带运输机地面监控主站的设计

3.1 地面监控主站的硬件设计

地面监控主站由计算机系统和网络接口装置等构成，负责系统设备的定义和配置，监控画面的编辑和处理，远程控制命令的生成和管理，以及监测数据的采集、管理、存储、打印、统计和分析等任务[5]。

根据地面监控主站的性能要求，地面监控主站选用惠普公司(HP)生产的高性能计算机HP

Pavilion u1555cn；网络接口装置采用西门子公司(SIEMENS)生产的SIMATIC CP系列通讯卡SIMATIC CP 5611。

3.2 地面监控主站的软件设计

现有的煤矿地面监控主站大多是由各开发单位独立开发的监控软件所构成的，因企业之间的监控软件不能相互调用，使监控软件程序具有一定的封闭性、用户无法二次开发等缺点。

组态软件是为提高开发工作的效率而产生的，它将常用功能模块组合在一起后形成一个新的软件平台。开发用户使用组态软件提供的工具模块，对组态软件平台下的对工具模块的形象组合和对工具模块进行二次开发，就可实现开发用户所需的软件功能。

本文的地面监控主站采用组态王编程软件进行编程开发。组态王编程软件充分利用了Windows的图形功能完备、容易理解使用的特点，有效地减少了开发用户的重复性工作，使开发的工业软件控制系统具有更广泛的通用性，更易于移植使用[6]。

地面监控主站的主程序框图如图3所示。

图3 地面监控主站的主程序框图

4 煤矿皮带运输机井下监控分站的设计

4.1 井下监控分站的控制器

现有的煤矿井下监控分站，一般是以单片机作为硬件平台，利用汇编语言或者C语言等进行开发编程，具有编程复杂、程序不易重复利用等缺点。

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是以微处理器为核心，把计算技术、自动控制技术及通信技术融为一体的专为工业环境而设计的工业自动控制装置。可编程逻辑控制器(PLC)的硬件结构基本上与微型计算机相同，其实质上是一种专用于工业控制的计算机。

可编程逻辑控制器(PLC)适合用于工业控制，也适合用于煤矿安全生产领域，其原因在于：

一是PLC控制系统构成灵活，容易扩展；且可与上位计算机构成复杂的控制系统，实现煤矿生产过程的综合控制。

二是PLC控制系统使用方便，易于编程。可以采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，因此可以缩短系统的开发周期，容易实现现场调试。

三是PLC控制系统能适应煤矿生产的恶劣工作环境，具有抗干扰能力强、可靠性高的特点，远高于其它类型的控制器。

基于以上原因，本文采用可编程逻辑控制器(PLC)作为煤矿井下监控分站的控制器，选用西门子公司生产的S7-200系列PLC即可满足控制要求[7]。

4.2 煤矿皮带运输机井下监控分站的硬件设计

根据煤矿生产的实际要求，某煤矿井下煤炭运输系统由3个井下煤炭运输生产线系统组成，每个井下煤炭运输生产线系统由4条皮带运输机构成。按此生产实际要求，共需要设置3个皮带运输机井下监控分站，每个监控分站监控4条皮带运输机的运行情况。每个皮带运输机井下监控分站的硬件构成相同，井下监控分站的硬件设计方案如图4所示[7-8]。

图4 基于PLC的井下监控分站的硬件设计

4.3 煤矿皮带运输机井下监控分站的软件设计

每个井下煤炭运输生产线系统由4台皮带运输机组成，每台皮带运输机均由一台电动机带动。根据生产实际要求，对PLC的软件控制要求设计如下：在启动时，为了避免在后面运输带上造成物料堆积，要求以逆煤流方向按一定时间间隔顺序启动，先启动最后一台皮带运输机，经过一定时间后，在依次启动其他皮带运输机；停止时，为了使皮带运输机上不残留物料，要求以顺煤流方向按以一定时间间隔停止，先停最前面一台皮带运输机，等到煤运输完毕后停止所有皮带运输机。另外，当某台皮带运输机发生故障时，该皮带运输机及其前面的皮带运输机都应立即停止，而该台后面的皮带运输机要等到物料远输完毕后才停止。

根据生产实际要求，煤矿皮带运输机井下监控分站软件设计程序框图如图5所示。

图5 井下监控分站的程序框图

5 煤矿皮带运输机监控系统的仿真设计结果

煤矿皮带运输机监控系统的硬件部分地面监控主站、通讯接口、井下监控分站、传感器、执行机构等装置。

煤矿皮带运输机监控系统的软件应包括地面监控主站软件系统和井下监控分站软件系统两个部分，这里主要介绍地面监控主站软件系统的仿真设计结果。煤矿皮带运输机监控系统的主监控画面的设计结果如图6所示[9-10]。

6 结论

本文综合利用计算机(PC)、可编程逻辑控制器(PLC)、现场总线控制系统(FCS)等理论与技术，设计构建了煤矿井下皮带运输机监控系统，详细介绍了皮带运输机监控系统的系统设计、硬件设计、软件设计的设计方案，并给出了皮带运输机监控系统的仿真设计结果。该设计方案可以有效地缩短皮带运输机监控系统的开发周期，使皮带运输机监控系统具有装置配置灵活、便于用户二次开发、使用方便等优点。与传统的煤矿井下皮带运输机监控系统相比较，该设计方案在快速性、易用性、经济性等方面都有显著的改善和提高，具有一定的理论意义和实践应用价值[9-12]。

图6 煤矿皮带运输机监控系统的主监控画面

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