PLC控制技术在煤矿井下皮带运输机故障报警设计中的应用

韩方超

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西高平048400）

近年来随着我国煤矿装备的自动化、信息化和智能化的不断发展，煤炭产业也在进行相关新技术的探索和尝试，皮带运输机的集中控制、自动控制已在我国部分煤矿得到应用。然而，随着煤矿开采技术的不断提高，工作面走向长度不断增加，作为井下主要运输装备的皮带运输机也随之不断加长。皮带运输机的长距离运行经常会出现跑偏、撒料、打滑、撕裂等故障，这些故障的出现会影响井下正常生产作业、减少皮带运输机使用寿命，严重会引发皮带运输安全事故。因此，采用PLC控制技术设计一套故障报警和定位控制系统，用来实现皮带运输机故障判定和快速故障区域定位，便于人员快速处理皮带故障，减少人工查找故障发生地点及故障原因的时间，提高生产效率显得尤为必要。

1 皮带常见故障类型及原因分析

煤矿井下皮带运输机作为一种长距离物料运输设备，具有运输距离远、运行时间长等特点，受井下巷道底板起伏不平、安装精度不准确及日常维护保养不到位各种因素的影响，在长时间的生产运输过程中，皮带运输机很容易出现故障。经常出现的故障种类及原因分析如下：

（1）皮带运输机撒料。皮带运输机在运行过程中撒料一种原因是因为皮带跑偏，皮带两边个高低不平，造成皮带上装载的物料受侧向力作用撒落出来。另一种原因是因为受巷道底板起伏不平影响，皮带在安装过程中出现凹凸不平地段，皮带张紧后造成凹段皮带悬空，运行过程中造成物料撒落。

（2）皮带运输机跑偏。皮带运输机跑偏即为皮带的中心与皮带支架中心不在一条中心线上的现象。皮带跑偏一方面会造成撒料，需安排人工清料，增加投入；另一方面皮带与皮带支架长时间发生摩擦，造成皮带边缘磨损和皮带架损伤，缩短了皮带服务年限，同时会造成皮带接头处断丝卷入皮带支架中，从而引起皮带撕裂，形成安全隐患，严重时会造成断带事故发生。

（3）皮带运输机异常噪音。皮带运输机异常噪音是皮带在运行时其托辊、滚筒、电机或减速器等装置在不正常时发生的异常响声。主要表现有托辊严重偏心时的噪音、联轴器两轴不同心时的噪音、改向滚筒与驱动滚筒的异常噪音、电机或减速器出现故障时的噪音等。

（4）皮带运输机打滑。皮带运输机打滑是皮带在运行过程中，皮带与辊筒摩擦力不够，造成皮带与辊筒无法同步转动，出现打滑现象。造成皮带打滑的原因主要有皮带张紧力不够，皮带重载荷启动，皮带沾水粘油、皮带滚筒表面包胶磨损严重等造成皮带与皮带滚筒表面摩擦系数减小。

（5）皮带运输机撕裂。皮带运输机撕裂常见的主要有皮带磨损严重造成皮带强度降低造成断裂；皮带跑偏引起扯边，输送物料中夹杂的锐利、坚硬的超长物料造成皮带刺穿；皮带接头处遭受大块金属物料或矸石的长时间激烈冲击，皮带胶层破损，造成皮带钢芯断丝，在长期拉伸、承载的影响下钢芯暴露出来被卷进托辊、转向滚筒等部件内，随皮带运转而被抽出造成皮带撕裂。

图1 皮带运输机故障类型对比图

根据全国煤矿各类皮带故障类型的统计调查分析，从图1中可以看出，皮带跑偏目前在煤矿井下皮带运输机发生的故障类型中所占比例最高。根据PLC技术特点，本文选取皮带运输机故障类型占比最高且可实现监测的前四项故障类型作为PLC控制系统设计的内容。

2 PLC故障报警系统设计

PLC技术采用了微电子、计算机、通讯等多个领域的技术，其编程逻辑控制功能可以通过软件编程来实现，因此，当生产机械或生产工艺发生变更时，只需改变程序或变更一下接线端子就可以了。PLC系统具有可靠性高、开发简单、通用性高、维护使用简单等优点，对于煤矿井下生产条件复杂、环境较为恶劣的环境非常适用。设计将PLC控制系统单独适用或者接入全矿井监控系，作为皮带运输机的控制中心，对皮带运输机的运行状态、故障进行自动监测、分析和报警。

2.1 故障报警系统的软件设计

2.1.1 工作原理

皮带运输机发出启动信号，PLC控制系统完成系统初始化，通过传感器设备的配合，将数据传输给控制系统，数据被读取未发现异常后，皮带运输机开始正常运行，控制系统完成皮带运行期间各类基础参数的收集，并将收集的数据实时与系统设定的安全值进行分析对比，若反馈的数据超出设定的安全值，控制系统立即发出警报，并反馈故障类型及发生故障的区域。见图2。

2.1.2 PLC编程设计

（1）编程语言选择。PLC的编程标准有5种PLC编程语言，不同的商家的PLC采用不同的程序语言，其选择是根据所选定的PLC决定，如西门子S7-300、S7-400等采用的编程软件为STEP 7 V11-TIA Portal。

（2）数据存储能力设计。各类设备在运行期间，通过控制系统不间断的监测反馈产生设备运行的各类数据记录，以固定时间为间隔向存储空间输送数据，因皮带跨度大、运行快，总体产生的数据量会很大，且在多台输送机联合运行的情况下，数据量会更加庞大。

（3）物理结构设计选择。根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式PLC和模块式PLC两种类型，整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，结构非常紧凑，一般情况下，整体式被多用于小型PLC系统。模块式PLC用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成，多被用于大中型PLC系统。

（4）扛干扰能力设计选择。抗干扰能力强弱对PLC控制系统运行的稳定性起着至关重要作用，虽然PLC抗干扰能力较强，但煤矿井下生产环境较为恶劣，电磁干扰较强，若安装不当可能产生数据错误从而造成设备的失控和误动作。因此，在PLC控制系统抗干扰能力选择方面，一是选择抗干扰能力强的设备，另一方面，加强设计、安装和维护管理，有效地提高PLC控制系统的抗干扰能力。

图2 PLC故障报警控制系统工作流程图

2.2 故障报警系统的硬件设计

通过在皮带运输机相应的位置安装传感器，在皮带运行期间，传感器将监测的数值实时向PLC控制系统进行输送反馈，当反馈的数据超过系统设定的安全值后，传感器立即向控制系统反馈故障类型及发生的区域，并启动控制系统。

以皮带运输机打滑故障为例，该故障监测功能的实现过程为：皮带打滑→速度传感器数据发生→数据存储→皮带带速模块数据对比→超出安全值判定→皮带打滑声光报警（如图3所示）。

图3 皮带打滑故障数据监测硬件布置示意图

3 结语

（1）PLC控制系统技术应用于皮带运输机故障报警系统中，使皮带运输机控制系统的可靠性得到提高。按照应用软件中的故障呈现，操作人员能够随时纠正操作中的失误，并且，快速地诊断出故障出现在哪里，提高了故障诊断及定位的准确性，减少了故障诊断时间，减轻了人员劳动强度，提高了人员工作效率和皮带运输机运行效率。

（2）PLC系统具有使用灵活、通用性强、可靠性高、抗干扰能力强、接口简单、编程简单、维护方便、体积小、功耗小、性价比高等优点，非常适用于煤矿井下恶劣的生产环境，在减少人员投入、减少经济成本、提高工作效率、提高矿井自动化水平等方面具有一定的推广价值。