基于PLC控制系统的皮带运输机故障报警设计

张 明

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

0 引 言

随着煤矿矿井规模的不断增大、矿山机械设备的不断改进，随着软件技术的飞速发展，集中控制、智能控制正在逐渐成为皮带运输机的发展方向，目前，皮带运输机的“无人值守”已成为可能。然而，随着井下工作面长度的不断增大，皮带运输机作为煤矿井下运输系统的主要设备也随之加长，长距离的皮带运输常会出现皮带断裂、打滑、跑偏、撒料等故障，这些情况会导致减少皮带运输机寿命、破坏运输系统安全等，严重威胁运输系统稳定性。因此，设计含有皮带运输机故障报警甚至故障定位功能PLC控制系统监控运输机工作状态，做到有故障早发现、早解决尤为必要。

1 皮带运输机故障分析

煤矿井下运输机一般都具有长度大、载重大的特点，动辄几百上千米，在繁重的生产过程中，故障在所难免，主要有皮带机跑偏、异常噪音、撒料、皮带打滑、皮带断裂、减速机断轴等，其主要特征及破坏程度如下：

1）皮带跑偏。皮带运输机的皮带正常以中轴对称的U型覆于底部支架滚轴上载重运行，当皮带中轴偏离支架中心，即为皮带跑偏。皮带跑偏在皮带运输机故障中占有较大比例，主要表现为悬空于运输机支架上方、偏离运输机支架两侧等两种情形。皮带跑偏一方面会造成大面积的撒料、堆积，增加不必要的人工成本；另一方面，长时间的跑偏使得皮带两侧受力不均，引起撕裂，严重缩短皮带正常使用寿命。

2）皮带运输机的撒料。皮带运输机撒料原因也是多方面的，常见原因有两种。一种是皮带悬空撒料；煤矿运输巷道底板并不一定是水平的，而是随着煤层走向而起伏，因此就造成了布置于其中的皮带运输机的起伏不平，在皮带运输机的低洼段，皮带运输机底座曲率半径小于皮带曲率半径时，皮带悬空，U型槽变平槽，煤炭撒落。另一种情况便是皮带跑偏造成的撒料，皮带两侧一高一低，煤炭从低侧撒落，此时需要对皮带进行纠偏。

3）皮带打滑。皮带打滑也是皮带运输机故障中较为常见的一种，表现为皮带与转轴无法同步转动，致使皮带与转轴之间形成剧烈滑动摩擦，不必要的磨损严重缩短了皮带运输机的使用寿命。引起皮带打滑的原因大多是因为张紧装置上问题，张紧装置一般有两种，一种是重锤张紧，一种是螺旋张紧或液压张紧。前者通过增加配重使皮带张紧不再打滑，后者通过调整张紧行程来阻止皮带打滑。

4）皮带断裂。根据经验，皮带皮带断裂往往是因为皮带老化、磨损严重，断裂部位主要发生在皮带运输机滚轴处和皮带接口处，这两处也恰是皮带弱面或受力不均衡处，是重点监测的目标位置。

图1 皮带运输机故障类型占比对比图

如图1所示，根据实践调查，皮带机跑偏和撒料是目前占比最高的两项故障类型，根据PLC特点，本文选取皮带机跑偏、撒料、皮带打滑、皮带断裂等四项可实现且占比较高的故障类型纳入PLC控制系统。

2 PLC故障报警控制系统设计

PLC可编程逻辑控制器有效融合了计算机、集中控制、通讯等多个领域的技术，与复杂的监控系统相比具有开发简单、周期短、体积小、维护使用简单、可靠性高等优点，尤其适用于煤矿井下恶劣的生产环境。设计采用PLC控制系统作为皮带运输机的运行状态监测、故障识别报警的控制中心，可接入全矿井监控系统或单独使用。

2.1 数据监测的系统设计

2.1.1 工作原理

图2 PLC主控制流程图

如图2所示，系统初始化后，控制系统读取传感器数据，皮带机会正常运行，通过配合使用传感器设备完成基础参数收集，参数包括皮带跑偏传感器角度、压力值、皮带拉力值、转速差等，控制系统将传感器反馈数据与系统设定安全值进行对比分析，超出安全值即启动警报系统，并反馈相应故障位置。

2.1.2 PLC程序设计

1）程序语言。程序语言的选择滞后于PLC型号的选择，因此编程语言根据所选定的PLC决定，如西门子PLC-300采用STEP7 V5.5软件进行编程。

2）功能实现。对系统功能的要求首先要明确系统任务内容、输入输出量的类型，需对统计数据进行哪种处理、处理方式以及结果等。

3）数据存储。PLC控制系统涉及到一系列外部设备，以1s为间隔的数据存储频率向存储空间输送数据，不间断的监测反馈会产生大量的数据记录，在多台输送机联合运行的情况下，数据量会更加庞大，加之皮带跨度大、运行快，总体数据量会很大。

4）物理结构。根据物理结构的不同，PLC有整体式和模块式两种，一般情况下，整体式被多用于小型PLC系统，且价格低廉，性价比较高。

5）抗干扰能力选择。PLC控制系统所处的工作环境要求其具有较强抗干扰能力，抗干扰能力考察贯穿于整个设计、安装和运维过程，良好的抗干扰能力才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。

6）通信能力。PLC的控制过程依赖于良好的通信能力，在通信能力的选定方面一定要预留后期增设的线路或端口，为后期增加系统能力预留空间。

2.2 数据监测的硬件设计

1）皮带跑偏的数据监测。通过在皮带运输机底座两侧布置皮带跑偏传感器对跑偏情况进行数据收集，每隔30-50m布置一对（布置密度根据现场需要确定），当皮带偏离角度超出设定值时，传感器反馈警戒值，PLC控制系统启动控制流程，显示跑偏位置区段。

2）撒料的数据监测。在皮带输送机低洼处布置堆煤传感器，堆煤传感器数值向PLC控制系统实时传送，当超出安全值时即启动反馈机制，显示跑偏位置区段。

3）皮带打滑的数据监测。在皮带运输机端头滚筒及皮带中部设置速度传感器，PLC控制中心通过监测对比两者的速度差值判定是否产生打滑，并适时启动控制系统。

4）皮带断裂的数据监测。在皮带运输机端头张紧设备内设置拉力传感器，皮带运输机正常运行过程中张紧力显示为一定数值，当数值急剧减小时即判定皮带断裂。

如图3所示，以皮带跑偏故障为例，以上故障监测功能的实现过程为：皮带跑偏→跑偏传感器数据发送→数据存储→皮带跑偏模块数据对比→超出安全值判定→皮带跑偏声光报警。

图3 数据监测硬件布置示意图

3 结 语

1）皮带运输机底座曲率半径小于皮带曲率半径时，皮带悬空，U型槽变平槽，煤炭撒落，应尽可能地采用较大的凹段曲率半径来避免此类情况的发生。

2）基于PLC控制系统的皮带运输机故障报警设计实现了皮带运输机的故障定位、运输机启停等功能，提高了故障一次定位的准确性，减少了人力物力成本，提高了皮带运输机的效率。

3）该系统具有开发简单、研发周期短、体积小、维护使用简单、可靠性高等优点，尤其适用于煤矿井下恶劣的生产环境，在效率、实用性、经济性等方面具有一定的推广价值。