基于PLC 的井下煤矿皮带运输机监控系统设计

姜明伟

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿， 山西 吕梁 033200）

引言

在井下煤矿开采过程中，对开采的煤炭进行运输非常重要[1]。由于井下环境较差、巷道长又曲折，所以若不能顺利地进行煤炭运输，则会影响整个开采过程。皮带运输机系统凭借其结构简单、安全可靠、适用范围广、输送能力大等优势成为煤矿开采的核心运输工具。由于井下工作条件差、采光不好、安全性差，所以工作人员在井下很难对皮带运输机的运行进行实时监控[2]。因此，对煤矿开采进行自动化监测控制迫在眉睫。

本文基于S7-300 型PLC，对井下煤矿运输设备的监控系统进行了设计，完成了由触摸屏和PLC 组成的自动化监测操控系统，实现了对井下煤矿运输设备的安全、可靠、高效监控。

1 井下煤矿运输设备监控系统的功能需求

1.1 皮带运输系统的控制要求

因为运输系统在煤矿开采中尤为重要，故监控系统必须满足以下要求：第一，需要对井下煤矿开采进行集中监测控制，对运输工具进行实时监测。第二，当需要开采时，首先集控台先发出预备通知信号，并对现场进行检测，看其是否满足启动要求，预备通知信号持续时间为30 s，如果符合要求，则设备开始启动[3]。第三，控制方式应该分为三种，分别是就地、自动化集中控制、手动进行集中控制，并且控制方式必须能够进行转换。第四，当设备损坏或发生事故时，要能够通过声光提示及时报警。

1.2 监控系统的功能及主要设备选型

井下煤矿运输设备的监控系统包括PLC 操控系统、人机交互界面等部分。为了预防皮带跑偏问题，将KG1007A 型皮带防跑偏开关安装在易发生皮带跑偏的地方。安装一个KJ5007A 型速度传感器对设备的运行速度进行监测，可以进一步预防超速、皮带断裂等故障的发生。为了防止驱动滚筒打滑，安装一个打滑保护装置，可以自动监视驱动滚筒，当发生故障时及时调整或者停止[4]。为了防止皮带因打滑摩擦引起着火，本文采用了KGN1-1 型烟雾传感器。安装一个急停闭锁开关，型号为KG9001A-C，当发生紧急事故时，可以通过急停开关紧急停止设备[5]。选择操作台及触摸屏作为人机交互界面。

2 监控系统硬件组态

监控系统采用三级控制系统对运输设备进行自动化监测和控制[6]。三级控制系统包括进行现场数据采集并上传的远程I/O、进行逻辑处理及控制任务的PLC 和工业计算机。下页表1 为I/O 地址分配表，可以根据表1 获得控制系统I/O 点数。

表1 I/O 地址分配

本系统选用SIEMENS 公司S7-300 的PLC，配置清单见下页表2。

表2 PLC 配置清单

3 监控系统软件及防干扰设计

3.1 监控系统软件设计

本系统的控制台上根据控制方式设置了相应的选择开关，并且需注意的一点是，设备运行过程中不可改变控制方式。设备运行时，可以通过触摸屏上的显示灯查看当前选择的控制方式。采用STEP 7 MicroWIN 进行编程，同时结合下页表1 中I/O 地址分配信息选择合适的控制方式。以就地控制方式为例，本系统的控制台上有CST 启动、停止、慢动、急停四个手动按钮。工作人员可以根据以上四个按钮对设备进行启停操作。需特别注意的是，在就地控制方式下，CST 慢动按钮不可以使用。按下CST 启动按钮之后，会有30 s 的预警声响，以检测现场是否满足启动要求[7]。只有在无故障启动的情况下，预警才会成功。

为了保障设备的正常运行，需要进行故障监测。故障信号分为两类，分别是数字信号、模拟量信号。数字信号有两种表示，分别是“1”和“0”。“1”是报警信号，表示设备发生故障；“0”表示无故障发生，设备正常工作。当收到报警信号时，可以通过CST 急停按钮让设备紧急停止运行，或者发出声光进行报警。模拟量信号即是电压信号、电流信号，可以在模拟输入模块转换为相应的数字形式。触摸屏由PROTOOL 软件设计，画面选择基于WINDOWS 系统的TP270“6”。

3.2 监控系统的防干扰设计

由于工业现场往往存在很多干扰源，影响监控系统中数字信号的时序，使程序无法运行。故必须通过相应的抗干扰措施，防止干扰源对系统产生影响，进而保证设备安全、可靠、高效地运行，使得软件性能更加合理完善。抗干扰措施如下：第一，为有效降低电网中的干扰信号，需结合实际情况，将隔离变压器安装在电源的入口，进而降低噪声干扰[8]。第二，为了降低噪声并防止干扰，采用综合接地方式，进行接地防干扰。第三，通过使用双绞屏蔽线或电缆对现场存在的干扰源进行屏蔽，防止干扰。第四，配线安排抗干扰。

4 监控系统的功能实现

由现场层（远程I/O）完成对现场数据的采集和上传。控制层（PLC）进行数据接收，并进行相应的数据处理和程序控制，将信息上传到控制台。管理层（工业计算机）通过PROTOOL 软件设计的触摸屏对现场进行监控。操作员可以通过触摸屏和操控台得知现场设备的运行情况，并进行相应的操作。现场的过程参数（压力、电流等）经过远程I/O 采集上传，经电缆传送至PLC，经模数转换后变为数字信号。然后通过操控台传送给触摸屏，并在触摸屏上显示。在本系统中，触摸屏共有七个界面，其中画面1 为首页；通过指示灯及数字表明设备的运行情况的启动控制显示画面（界面2）；界面3 是故障信号提醒界面，发生故障时，可以通过信号灯进行相应的故障显示；界面4 为各定子的温度显示界面；界面6 及界面7 是故障保护屏蔽选择界面，若想将故障保护屏蔽掉，则可以按“XX 屏蔽”，若想取消屏蔽保护，则按“XX 屏蔽取消”就可以了。为了加强系统的安全性，系统还为不同的用户设置了相应的权限。具体如下页图1—图3 所示。

图1 触摸屏（界面2、界面3）

图2 触摸屏（界面4、界面5）

图3 触摸屏（界面6、界面7）

5 结论

由于井下工作条件差、采光不好、安全性差，所以工作人员在井下很难对皮带运输机的运行进行实时监控。为保证其安全、高效运行，本文以PLC 为核心，通过对井下煤矿运输设备监控系统的功能和需求进行分析，对井下煤矿皮带运输机监控系统进行了硬件组态和软件设计，构造了由操作台及PLC 组成的单条皮带与单台给煤机的自动监控系统。通过实践证明，该监控系统是行之有效的。综合运用上述监控系统可以使运输设备安全、可靠、高效地运行，降低系统调试和维护的工作强度。