基于PLC的皮带机集控系统开发设计

摘 要：本文以蒲县蛤蟆沟煤业有限责任公司某矿为研究对象，开发设计了一套以西门子smart系列PLC为核心的皮带机集中控制系统，对全矿皮带机进行集中控制，全面实现蛤蟆沟煤矿皮带机智能控制，达到了降低事故率、提升生产效率、增加效益的目的。

关键词：Smart PLC；皮带机；集中控制系统

中图分类号：TP277

在生产领域，企业的生产效益和成本控制取决于生产经营管理的高效性、实时性、安全性。皮带机运输系统作为煤矿的生产主力军，其管理和调度也应向着智能化、信息化、集中控制的方向发展，因此集控制、保护于一体的远程调度系统应运而生。目前许多现代化的矿井都已经建成了此类系统，并取得了丰硕的直接和间接效益。

本文以蒲县蛤蟆沟煤业有限责任公司某矿为研究对象，开发设计以西门子smart系列PLC为核心的皮带机集中控制系统，该系统控制技术先进、合理、性能稳定可靠，扩展灵活，能够融合原有的集控系统，全面实现蛤蟆沟煤矿皮带机集中智能控制。

1 皮带机概述

蛤蟆沟煤矿皮带机生产系统由地面4条皮带机、井下5条皮带机和1条主斜井皮带机组成，具体如表1所示：

2 系统设计

2.1 自动控制系统

在每部皮带机机头安装使用一台控制箱，实现对井下所有皮带机的数据采集与集中控制。系统可以实现单机控制、检修控制及手动控制，具备就地及远程切换选择，并可显示系统内设备状态及参数。皮带机控制流程如图1所示。

2.2 视频监视系统

地面设备主要由组态运行上位软件组成，在现场对每条皮带机机头及刮板机安装摄像头，并通过光纤上传到集控室，可以实时监视及回放各皮带机视频监视点的情况。

3 系统方案

本控制系统设定了三种控制模式：集控自动顺序、集控手动单机及就地单机控制。其中集控自动顺序控制为系统的首选默认模式。工作时，可自由转换三种模式，不会影响系统的整体运行状态。

3.1 集控操作模式，可分为“手动”及“自动”两种

（1）“手动”模式：通过计算机，结合上位机界面，对单机设备进行起停控制。根据现场需要，可自行设定或取消设备之间的联锁保护关系。

（2）“自动”模式：根据现场需求，先选定工艺流程，再完成设备的自动起、停控制。自动模式下，一般都具备联锁保护，若在短时间内需要单独停止某一设备的运行，可自行取消联锁保护。［1］

3.2 现场单机操作

现场安装一台本安型操作台，完成单机设备的启动、停止控制，用于现场单机调试、维护使用。

3.3 现场停止

停止控制设定为紧急停止，用于设备发生异常时，确保生产安全。即当设备正在运行中，按下停止按钮，该设备立刻停止，待故障排查后，再恢复运行状态。

3.4 流程选择

根据现场的需求，自行选定合适的生产工艺，也可及时进行工艺流程变更。

3.5 启动功能

该功能仅在“自动”控制方式实现，先根据现场工艺流程选定顺煤流或逆煤流方向，再按顺序启动各设备，按顺序启动延时时间可以提前设定好。启动时，若优先启动的设备发生故障，则启动过程暂停，并发出报警。排除故障后，再由现场操作人员决定是否结束启动。

3.6 停止功能

该功能仅为组态功能，在“自动”控制方式实现，包括三种模式。

常规模式：在周期工作完成后，停止流程。

故障模式：当现场发生故障，在进行检测、保护装置动作时，设备立即停止运行，其后级设备经延时（延时时间可自行设定），待带式输送机上的煤運完以后，依次停止运行，防止重载启动。

紧急模式：现场出现意外或紧急情况时，按下组态画面上的紧急停止按钮，所有设备立即停止运行。［2］

3.7 预告功能

该功能仅在“集控—自动”控制方式实现，预告信号采用声光报警装置，并可持续10～30秒钟（可调）。启车信号发出前，在生产系统沿线发送信号，沿线人员听到后安全撤离，沿线设备方再按预设流程依次启动。

3.8 保护及故障报警功能

故障报警功能包括启车、停车以及传感器监测点报警。报警信号显示分为上位机界面及现场声光报警，同时为避免故障范围扩大，系统还可以根据报警级别自动做出对应的停车处理，并及时保存、打印故障报表。

3.9 数据采集、处理及显示功能

本系统采用PLC及PROFIBUS总线通信网络，实时采集现场数据，包括设备启停时间、故障状态、工艺流程、运行状态及显示参数。使用组态王软件进行触摸屏界面设计，显示画面包括运行系统监控、皮带各项参数（报警、极限值等）设置、集控顺序设置、信号显示、报表查询等。

4 系统配置

4.1 地面集控室

地面集控室安装集控软件，用以实现地面计算机的人机交互界面平台。

正常运行工作时，操作员既可选择预定义的皮带机工艺流程自动控制，也可选择自定义流程的手动控制，屏幕上会实时显示选择后的流程；发生异常情况时，操作员可及时对被控设备进行远程操作。

在机房安装一台网络硬盘录像机，用于视频存储及回放，操作员可以通过操作员站实时监视皮带机运行情况，同时也可以回放以前监视画面。

4.2 矿用隔爆兼本质安全型PLC控制箱

矿用隔爆兼本质安全型PLC控制箱是集控系统的控制核心，用于实现系统传输信息、控制设备、采集数据等功能，采用西门子PLC、A/D（D/A）转换模块、开关电源、各类继电器等元器件。操作台根据用户的需求开发出编制程序，最终将结果输出到被控设备中。

4.3 皮帶机保护传感器

控制柜中接入各类传感器，包括烟雾传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器、煤位传感器、纵撕保护等。设备运行中，若发生故障使传感器被触发，则上位机组态画面会及时显示并发出报警信号。

4.3.1 烟雾保护

设备运行时若皮带打滑，易发生摩擦着火，从而产生烟雾，触发安装在各驱动部下风向处的烟雾传感器动作，设备立即停车。

4.3.2 温度保护

实时监测各皮带滚筒、减速器轴承温度，具有温度曲线查询和温度报表查询功能。

4.3.3 打滑保护

在实际运行中，由于多种原因，当皮带的速度与主滚筒转速产生差值，就会发生打滑现象。将检测皮带的实时速度及加速度的传感器接入PLC，将实际反馈值与整定值进行比较，判断是否输出打滑信号。

4.3.4 纵撕保护

当皮带机在卸煤过程中，有大块的锋利的尖状矸石落下时，容易发生纵向撕裂，因此纵撕保护通常都安装于输煤系统的落煤处。本系统采用矿用本安型撕裂传感器，当检测到撕裂时触发动作，皮带机立即停车并发出报警。

4.3.5 堆煤保护

堆煤保护是指在输煤过程中，当较大煤块堆积在皮带机机头时，皮带机能够自动停机。煤位传感器通常吊挂在皮带机头，当煤的高度超出标准范围时，传感器动作，皮带机自动停车并及时报警。

4.3.6 跑偏保护

皮带跑偏是煤矿皮带机在运行过程中较为常见的故障现象。将跑偏传感器固定安装在皮带机前后两端支架上，当皮带在运行发生跑偏时，传感器的滚轮偏转到规定角度外时，触发开关接点从而发出报警，并使皮带机立即停车。

4.3.7 拉线急停保护

拉线急停开关是煤矿带式皮带机沿线的紧急停止装置，当输送带出现跑偏、打滑、撕裂等情况时，工作人员能够及时拉动急停装置的钢丝绳，使皮带机停止工作。［3］本系统采用矿用本安型智能拉线开关，分别进入PLC系统和控制回路，一旦拉线开关发生动作，系统会立即发出报警并紧急停车。

4.3.8 张紧力保护

本系统采用矿用本安型张力传感器，检测输送机皮带张紧力，当皮带张紧程度超限时，将自动开启张紧绞车进行调整。

5 结论

该系统遵循的设计原则要求控制系统技术先进、合理、性能稳定可靠，扩展灵活，能够融合原有的集控系统。蛤蟆沟煤矿通过应用该系统，搭建了专用传输平台、数据平台和监控平台，大大提高了安全系数，实现了数据共享、报警联动功能，既保障职工人身安全，又减少由于矿井灾难所造成的损失。通过煤矿管控一体化，提高了煤矿的安全生产管理调度水平，从而全面实现了蛤蟆沟煤矿皮带机集中智能控制。

参考文献：

［1］王国富，王胜杰.浅谈西门子300PLC选煤厂集中控制系统［J］.科技与企业，20150821.

［2］任杰，肖卫雄.选煤厂自动化集成平台的设计［J］.工矿自动化，20101214.

［3］张晋锋.矿用带式输送机拉线急停开关故障及处理［J］.机械管理开发，20200916.

［4］刘鹏涛.PLC在矿山机电自动控制中的应用［J］.中国化工贸易，2019（04）：110112.

［5］陈军君.PLC在煤矿皮带机监控系统中的应用［J］.能源与节能，2019（05）：151171.

基金项目：安徽水利水电职业技术学院2021年度高校科学研究项目（XJKJ202104）

作者简介：张雅洁（1983— ），女，汉族，安徽合肥人，硕士，讲师，研究方向：控制理论与控制工程。