基于PLC 控制策略的皮带输送机集中控制系统设计

李 东

（山西焦煤西山煤电西曲矿通风监测监控队， 山西 古交 030200）

引言

现如今，人们的生活水平在日益提高，其在加大了资源损耗的同时，要求煤炭的出采量也不断加大，从而致使煤矿企业朝着智能化、自动化的方向不断发展。作为煤炭企业的重要运输设备，皮带输送机运行的稳定与否决定了施工人员的安全及煤炭的生产效率[1]。近年来，智能控制技术不断发展，也为井下皮带输送机控制系统的优化与设计提供了一定的技术理论。基于山西某矿皮带输送机在工作时存在工作效率低、安全性能得不到保障以及能源消耗较高等问题，本文进行了基于PLC 控制策略的皮带输送机集中控制系统的设计，并将其应用到实际中加以验证。该系统的应用将设备的智能化程度进一步提高，可以说对煤炭企业的安全高效生产起到了很好的作用。

1 皮带输送机控制系统的研究现状

作为井下关键的运输设备，皮带输送机经历了一代代改革，已经逐渐发展为多个方向，在各个生产领域都可以见到它的身影。与国内相比，国外的专家学者在该项目上的技术研究可谓是非常先进，特别是就控制技术而言，可靠性良好。

然而国内在该领域的研究也取得了一定的成绩，目前国内的皮带输送机大多朝着自动化的方向发展，因其具有设备的自动化及工人的远程控制而在煤矿中得到了广泛的应用。但在实际应用中也暴露出许多的问题，大致分为以下几方面：一是即使控制系统中引入了自动化技术，但是其功能较为简单，有些仅限于对井下设备的启停控制。一旦出现设备的过载、过热运行等现象，绝大部分设备中的控制系统还不具备对该类问题的监测预警功能，同时也未安装保护装置[2]；二是设备在运行时，会出现异常的振动现象，如共振等，这是对设备有损害的，目前的设备还不存在对该类现象的识别检测功能，其会影响设备的使用寿命及生产效率。因此，要想将国内的控制技术赶上国外，要设计一套先进的皮带输送机集中控制系统就显得十分必要。

2 控制系统的设计方案

针对山西某煤炭企业设备控制系统存在的问题，根据工作效率、运行稳定性及能源消耗等方面展开了对控制系统方案的设计，其具体设计方案如图1所示。

图1 控制系统设计方案

观察图1 可以发现，在控制系统中，主要结构包括控制主站、上位机和控制分站。井下各带式输送机之间的信息交换通过工业以太网完成。此外，所设计的集控系统还包括控制装置、传输网络、地面集控室等，在一些死角及监控位置都设计了监控器，同时对井下的所有皮带输送机增设了安全关闭或自动启停功能。在地面集控系统中心中还设有上位机，可以通过工业以太网对井下的所有皮带输送机进行集中管理和远程监视。为进一步对所传输的数据进行精确化处理，使在井下的控制分台中的所有电器元件均选用具有耐爆功能的本安型，以及相应的传感器设备，从而实现了监控皮带中物料传输情况的目的。与此同时，为能使今后的系统升级和维修工作良好地开展，将原本设计方案列为了可扩展性的开放体系结构[3]。

3 硬件分系统的设计

3.1 PLC 控制器

综合考虑实际情况中皮带输送机的工作情况，从而确定了PLC 控制器的规格。在该控制系统中，主要应用了9 个PLC 控制器，其中主皮带机PLC 控制器采用S7-300 型号的控制器，剩下的都采用S7-200 型号的控制器。

在国内的各行各业中，应用范围最广的是S7-300 PLC 控制器，它配备了处理能力较强的中央处理模块，完全可以实现对井下皮带输送机集中控制的目的。此外，该型号的控制器还具备抵御干扰的能力强、运算能力较强及兼容性较好等优点，足以应对井下恶劣的工作环境，使皮带输送机的集中控制系统可以稳定地运行。

3.2 井下控制分站

要应对井下的生产连续作业，就要根据功能进行主站及分站的区分，其中主站的任务是对井下各个分站的数据进行收集、处理及调节，而分站则具备自身的独立控制性能，在控制分站下达相关命令后，可以对皮带输送机的数据进行收集处理，进而控制。此外，为了保障井下设备的安全运行，还采用了具有保护作用的各种传感器，具体工作是对井下设备工作环境中的工作电流、输送带压力、振动频率、设备温度等参数进行采集并上传。如图2 所示，为井下各个控制分站的结构图。

图2 井下各个分站结构图

4 软件程序的设计

4.1 系统的主程序

带式输送机控制系统主程序的操作通过PLC 编程语言实现，如图3 所示，是带式输送机主程序的控制流程图。

图3 系统主控制程序流程

从图3 中可看出，PLC 软件系统的主要功能有控制系统的初始化工作、设备故障的自动检测和控制系统的主程序管理等。然而，控制系统的主控制进度管理则包含许多子程序，内容主要涉及对输入与输出信息的管理、对控制模块的选择、对装置的启停管理、对装置工作的速度管理和对自身故障的保护等。主程序的主要任务是对各个子程序之间的运行进行调节，以便于系统可以实现对数据的实时收集，在经由处理后将其反馈到地面的集控中心。此外，工作人员可以依照收集的参数信息对其进行调整与控制，来完成皮带输送机的远程监控工作。

4.2 综合保护系统

图4 为皮带输送机的综合保护系统，具体的作用是实现煤矿井下皮带机的安全可靠运行。观察图4 可以发现，该综合保护系统可以应对多种故障现象，如过载运行、温度过高、胶带跑偏等，经由相应的传感器来实时监控并发出警报，PLC 控制器会依据其严重程度，进而对设备运行发出制动指令。

5 应用效果分析

基于山西某煤矿企业煤炭的生产需求，将井下皮带输送机的控制系统作了一系列的改进，完成了从总体方案到硬件系统，再到软件系统的设计。为了验证设计的控制系统的合理性及可靠性，把它应用到现有的皮带输送机中。通过试验结果可以发现，该控制系统不但可以稳定运行，还能完成对井下各个皮带输送机的集中控制和远程监控。根据试验结果统计，在使用该控制系统之后，皮带输送机不仅可以可靠地运行，还具备了速度调节的功能，与之前相比，可以节省大约1/10 的能源。此外，在设备的启动过程中，也较原来有了更好的平稳性，并且该过程可以经由工作人员远程操控，减少了2～3 名一线作业人员的派遣数量，为井下少人化发展作出了贡献。该控制系统的应用还降低了煤炭开掘的成本，为煤炭企业增加了利润，平均每年可增加100 万元的直接经济收益。