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1、煤矿带式输送机PLC控制技术研究与理论煤矿带式输送机PLC控制技术研究与理论李剑峰兖矿集团设计研究院导语：济宁市范围内不同编制的煤矿在PLC应用于矿井带式输送机电控方面进展了大量的研究和理论，并且获得了良好的现场使用效果。摘要：济宁市范围内不同编制的煤矿在PLC应用于矿井带式输送机电控方面进展了大量的研究和理论，并且获得了良好的现场使用效果。关键词：煤矿；带式输送机；电控；可编程控制器中图分类号：TD5文献标识码：B近几年来，位于山东省济宁市范围内不同编制的煤矿在应用于矿井带式输送机电控方面进展了大量的研究和理论，并且获得了良好的现场使用效果，对国内同行具有一定的参考价值。1基于PLC的煤矿带
2、式输送机可控启动传输系统位于济宁市邹城市的兖州矿业集团公司南屯煤矿引入基于PLC为控制核心的可控启动传输系统(CST)，解决了传统带式输送机启动难、停车难及启动经过中出现瞬时张力带来强烈震荡等问题。系统概述CST可控启动传输系统主要由CST控制器、CST检测传感检测元件、皮带保护装置、显示报警装置及控制对象CST等组成。CST控制器采用PLC作为控制核心，根据现场检测元件收集的信号或者司机发出的控制指令，控制CST的启动与制动，使CST的机械和液压特性得到完美表达，实现了对带式输送机的S型曲线起动、停车控制，同时PLC根据传感检测元件及保护装置的信号进展运算处理，在有故障时启动报警装置。此系统
3、还带有显示功能，便于司机或者检修人员直观理解系统运行情况。CST控制器集成了Allen-Bradley公司的SLC504系列PLC。收到起动信号后，控制器根据设定参数计算出起动速度的S型曲线，控制液压系统的工作压力变化，控制离合器盘间的摩擦力变化，改变输出速度。CST控制程序中通过速度PID(比例一积分一微分闭环控制)控制回路保证带式输送机始终按要求的速度运行；功率PID控制回路实现各驱动器功率平衡控制。系统功能及实现传感检测原件。轴速度传感器检测CST的输出轴速度与带式输送机打滑检测速度进展比拟，如偏向大于设定值那么发出打滑故障报警并停机，同时作为速度PID控制回路的速度给定；油温变送器用以
4、检测CST箱体油温度，防止因油温过高损坏CST内部液压元件；冷却流量传感器检测CST油冷却系统的冷却流量，保证液压油冷却回路的正常；离合器压力传感器检测液压系统的高压回路，确保足够的压力去推动离合器工作；光滑压力传感器检测液压系统的低压回路，确保足够的压力去光滑轴承。PLC控制系统输出020mA电流，用于PCV比例阀控制。PCV阀用于液压控制回路中，控制离合器摩擦片的控制压力，根据速度/压力PID程序，计算出S型启动曲线。保护及显示报警装置。速度保护用作检测带式输送机的低速打滑、超速保护。温度保护，放置在带式输送机驱动辊筒附近的环境中；当温度升高到一定的时候，温度传感器中的热敏元件动作，输出信
5、号以保证平安。堆煤满仓保护安装在溜煤眼和皮带搭接处，当带式输送机头发生堆煤、满仓或者煤位超限时，向控制器发出控制信号，控制系统检测到后进展报警停机，以到达保护胶带的目的。烟雾保护用以检测带式输送机的摩擦，电气设备引起的电缆起火或者煤层自燃引起的冒烟事故。跑偏保护用以检测胶带是否跑偏，胶带跑偏后给控制器信号，使带式输送机停车，起到保护胶带的作用。 (3)系统优点实现理想的S形起动曲线，极大减小传统大型带式输送机在启停中产生的尖峰应力对胶带的破坏，有效延长整机使用寿命，进步运行效率，降低维护本钱；实现驱动电动机空载依次起动，有效降低起动电流对电网的冲击；完善的PID闭环回路程序，实现多点驱动功率平
6、衡，保证带式输送机平稳运行；控制系统先进，易于实现数据分享和网络化，便于整体矿山自动化系统的信息化集成；集机电控制于一体，具有完善的智能故障自诊断功能。2煤矿带式输送机PLC控制设备设计位于济宁市邹城市的兖州矿业集团公司机械制修厂对煤矿常用带式输送机的PLC主控设备和远程监控设备设计进展了总结与分析。主控设备这是带式输送机电控系统的核心，所有设备的控制和保护动作都是由主控设备来完成的。鉴于PLC的抗干扰才能强，比拟合适应用于带式输送机这样的顺序控制系统，而且PLC多采用模块化设计，其系统的组成和扩展非常方便，所以带式输送机的主控系统通常都是采用PLC作为核心控制器件。在主控系统设计之前首先应当
7、对所有需要控制的设备和检测信号进展统计，得到主控系统的点表，即常讲的DI、DO、AI、AO统计，还要考虑主控系统中是否配置通讯接口及需要配置的通讯接口类型，据此便可开场设计PLC系统组成；然后，采用光耦、继电器和隔离栅实现对信号的隔离，接着为主控设备配置各种沟通电源、直流电源，根据器件的功耗选择电源容量；为主控设备配置人机界面，即操纵显示屏。软件设计包括对PLC程序和显示屏程序的设计。根据带式输送机的设备配置和工艺流程设计顺序控制、参数设置、保护、故障屏蔽等。显示屏完成人机对话的功能，一般具有方式选择、操纵、参数设置、报警弹出、故障屏蔽、故障纪录等界面，不同的设备组成需要不同的操纵界面来支持。
8、此外，对于具有远程监控系统的带式输送机，还要为其配置通讯接口常用的通讯接口有工业以太网、Profibus、CANbus、ControlNet等，并为PLC配置通讯接口模块，在设计软件时还要考虑远程监控子程序。远程监控设备数据收集、监控系统SCADA。由地面监控主机、通讯网络以及主控设备组成。地面监控主机通常为工控机，设置在地面的调度室或监控机房内，安装有IFix、WinCC、RSView、InTouch、组态王等组态软件。由组态软件开发出带式输送机系统的监控界面，可以显示从网络收集来的数据，并且给主控设备发出操纵命令，实现带式输送机的远程控制。组态软件还可以对数据和事件进展记录存储，产生各种报
9、表，便于进展查询与系统治理。视频监视系统。通常由防爆摄像头、传输光缆、地面存储及显示系统组成。为了更加直观地监视带式输送机的运行情况，通常在带式输送机的机头卸载点、机尾落料点、中间落料点以及其它重要位置设置防爆摄像头，收集到的视频图像通过光缆传输到地面。地面存储及显示系统是由硬盘录像机、视频矩阵和电视墙组成的。硬盘录像机可以将视频按照设定的大小进展存储以备查看，视频矩阵那么控制着视频信号在电视墙上的显示和画面的分配。3PLC控制变频器实现带式输送机动态调速位于济宁市任城区的兖州矿业集团公司济宁三号煤矿北部带式输送机的控制系统采用1765-L55M12型PLC。考虑到该系列控制器的可扩展性，他们
10、通过加装模块来控制变频器的输出频率，进而实现了变频器的动态变频。改造原因。固然变频器的能量转换比非常高，根本上没有消耗，相对于耦合器来讲是非常节能的，但是变频器的真正优点变频这个功能并没有发挥出来。煤矿井下很多时候并不需要带式输送机全速运转，例如采煤工作面不消费时带式输送机只拉掘进工作面开采的煤矸，运载量非常小；有的时候带式输送机连续10min以上空载运行，造成大量电力浪费。动态调速。首先，给变频器固定两种频率，一种是轻载形式，一种是重载形式。通过ControlNet通讯读取北部带式输送机前一级带式输送机的电动机电流大小，北二带式输送机的3台电动机电流从50A到80A不等。他们设计的流程是当北
11、二带式输送机电动机电流知足50AI60A持续2min北部带式输送机满速时的运转周期是1.6min时，以为北部带式输送机处于轻载状态，将电动机频率调至25Hz，北部带式输送机以2.4m/s速度运行；当北二带式输送机电动机电流知足I60A持续5min北二带式输送机运转周期是6.25min时，以为北部带式输送机将处于重载状态，由PLC控制模块模拟量输出模块调整变频器频率，以1Hz/s速度增加到50Hz，此时北部带式输送机以4.8m/s速度运行。经过上述步骤试运行一段时间后，对带式输送机进展动态功率平衡改造。由于一旦采用电动机直连减速箱的硬连接方式，那么各电动机的频率值绝对不可能完全相等，因此要做到带
12、式输送机各电动机的动态功率平衡，必须通过监测各电动机电流信号来实现。这点类似CST软启动装置的程序设计。首先需要设定1个主驱，其余各驱动以主驱为参照物，电动机电流的平衡点向主驱靠近。例如，碰到煤量变化的时候，先要考虑的是调节主驱的频率，主驱频率变化后其余电动机电流必定不等，因此调节这些电动机的频率使其与主驱的电动机电流尽量相近。这就是动态变频的根本思路。在此还需考虑两个问题：电动机电流是一个很不稳定的数值，所以调节电动机频率时的速度不宜过快，他们按照0.01Hz/10ms的速度进展调节，防止电流变化太快；由于电动机电流在收集数据时非常不稳定，应留意电动机电流在收集时出现干扰，他们采用电动机电流
13、在一段时间平均值来判定其准确数值。使用效果。根据该矿电动机电流记录来看，空载及轻载运行时间平均4h/d，全年共消费353d，按调速运行后降速50%计，全年节省电费8.4万元；滚筒在重载启动时根本不存在单驱动受力情况，节约材料费用10万元。4可控制动配合PLC实现下运带式输送机软制动新版（煤矿平安规程）第三百七十三条明确规定：倾斜井巷中使用的带式输送机，上运时，必须同时装设防逆转装置和制动装置；下运时，必须装设制动装置。其第九款还规定：下运带式输送机应加设软制动装置。按照（煤矿平安规程）的规定，位于济宁市任城区的兖州矿业集团公司济宁三号煤矿在五采区安装的下运带式输送机中加设了KZP系列盘式可控制
14、动装置，配合美国AB公司消费的PLC，实现了对下运带式输送机的软制动。KZP系列盘式可控制动装置是机电液一体化设备，由制动装置、液压站及配套电控系统组成。盘式可控制动装置的制动力矩由闸瓦与制动盘摩擦而产生，调节闸瓦对制动盘的正压力即可改变制动力，而制动器的正压力又与液压系统的控制油压成比例。机械设备正常工作时油压到达最大值，此时正压力为0，闸瓦与制动盘间留有11.5mm间隙，即制动闸处于松闸状态。机械设备需制动时，电液控制系统根据工况发出控制指令，使制动装置按照预定程序自动减小油压以到达制动要求。盘式可控制动装置在环境温度为40时每小时制动10次，盘面最高温度远小于150，并且无火花产生。与电
15、控装置配合，可使大型机械设备停车减速度保持在0.050.3m/s2，系统忽然断电时仍能确保大型机械尤其是带式输送机设备平稳地减速停车。其液压控制系统采用双回路构造，两回路完全对称，可以互为备用。盘式可控制动装置与PLC配合应用松闸经过。首先由PLC控制器向制动装置发送松闸指令，由开关量输出模块为电磁换向阀提供127V电源，并命令油泵电动机工作，随后由PLC中的模拟量输出模块增加电液比例阀的电流，油压逐渐上升，蓄能器充液，此时制动力矩减小。当油压大于4.5MPa时，制动闸瓦翻开，带式输送机具备开机条件。正常工作。带式输送机正常工作时，电液比例阀的电流按照PLC电控系统的要求变化来调节油压和制动力
16、矩，使油压保持在最大6MPa左右，制动器保持最大松闸间隙，确保带式输送机正常运行。正常制动。带式输送机接收到正常停车指令后，PLC的模拟量输出模块按照程序设计缓慢地减小输出电流，进而减小油压和制动力矩，以使带式输送机停车减速度保持在0.10.3m/s2。带式输送机完全静止时，油泵电动机、电液比例阀和电磁换向阀断电，系统停顿工作，压力瞬间清零，制动闸完全闭合。紧急制动与系统忽然断电。当带式输送机接收到紧急停车的指令或供电系统忽然断电的时候，电动机、电液比例阀和电磁换向阀断电，系统进入另外一套降压形式。首先通过溢流阀使油压降至预先的调定值，制动闸快速贴近制动盘，随后蓄能器的油压通过调速阀卸压，制动
17、力矩逐渐增大，机电设备平稳减速停车。盘式可控制动装置与PLC配合的优点一般依靠蓄能器工作的制动闸就可实现对下运带式输送机软制动，KZP系列盘式可控制动装置的主要特点表达在“可控。通过主驱动电动机输出轴及胶带上的速度传感器来读取电动机转速及胶带速度。重载时下运带式输送机有时出现“飞车，要由PLC监测速度传感器数据。当得到速度大于正常运行设定值时，由PLC减小制动闸电液比例阀的供电电流，进而减小制动系统的油压，制动系统施闸使制动闸瓦贴近制动闸盘为胶带减速。当带式输送机速度降至正常值以下时，PLC再按照预先编制的程序增大制动闸电液比例阀电流，使闸瓦翻开，实现制动闸的动态可控运行，保障带式输送机的正常
18、运转。5基于PLC的盘式可控制动装置电控系统位于济宁市兖州区的兖州矿业集团公司兖州煤矿机械厂针对盘式可控制动装置电控系统设计工作，总结了基于PLC的控制系统在与机械、液压系统构成的机电液一体化带式输送机匀减速闭环系统中起到的重要作用，对今后该装置的平安使用具有良好的推广价值。盘式可控制动装置主要用于大型机械设备控制动停车，实现下运带式输送机应用于大倾角上运带式输送机时，可以实现（煤矿平安规程）规定的软制动；应用于长间隔大型带式输送机时，可以实现可控制动停车，防止带式输送机正常停车或者紧急停车时胶带张力急剧变化而导致胶带“堆叠现象。控制功能由于提供的液压泵站是双回路工作系统，设计中也应采用双回路
19、控制系统，通过转换开关切换至备用回路工作。每个回路均设有自动、手动控制方式，并设有正常起车、正常停车、紧急停车等按钮。在自动状态下，按下正常起车按钮，安装在电动机端的测速传感器发出脉冲信号，输入到PLC内置的高速计数器，在VD1中的值与旋转次数成比例。假设电动机速度在规定时间内达不到设汁转速，那么以为是空载起车经过；如电动机在外载拖动下转速到达同步转速，那么以为是重载起车经过。由EM235CN模块输出的420mA标准信号，经比例放大器逐步放大为800mA接入电液比例阀，控制压力上升或者下降，进而控制制动装置松闸还是制动。安装在液压泵站上的油压传感器输出05V信号，接入M235CN模块输入端，由
20、S7-200系列PLC判定压力大小，以便及时给主控发出信号让主电动机起动，使带式输送机正常运行。在正常运行经过中，带速传感器始终检测胶带速度是否超速。假如发生超速现象，那么由电液比例阀控制压力施行软制动；当速度小于或即是额定带速时，电液比例阀使其恢复到正常工作压力，使带式输送机正常运行。系统发生紧急停车或者故障时，控制系统保存引起的故障原因每种故障都能在液晶显示屏上显示出来。只有当故障排除之后，按下正常停车按钮或断电复位1次，才可以重新起车。保护功能超速保护。由电动机端的测速传感器进展检测。当电动机转速超过1550r/min时断定为电动机超速，需要进展保护，盘式制动器施行抱闸制动。打滑保护。安
21、装在带式输送机驱动滚筒下的速度传感器发出的频率信号接入PLC的高速计数器。按设定程序计算胶带速度。当带速低于额定带速80%时断定带式输送机打滑，需要进展保护，盘式制动器施行抱闸停机。低压保护。起车经过中，当油压传感器输出的控制油压低于规定压力时，不允许发信号启动主电动机。液压站发生故障时，需要重新调整。软件设计顺序控制程序设计。S7-200系列PLC顺序控制程序采用STEP7MicroWINSP5软件编制。此软件可用梯形图电路列表进展顺序控制编程、顺序控制程序运行状态监视、强迫性数据变更和输入输出信号ON/OFF等；根据控制模块流程图编制整个顺序控制程序，包括空载起车、重载起车、正常停车、紧急
22、停车及故障保护等，对设备油压、比例阀输出电流、电动机与胶带速度等信号的检测及计算；在执行经过中随时响应人机界面的访问，实时反映设备的运行状态。把已调试通过的程序写入EPROM或者EEPROM，将程序固化，系统就可正常运行。触摸屏人机界面设计。操纵显示画面利用SIEMENS公司提供的基于WindowsXP人机界面设计软件WINCCflexible进展画面编制，以图形、动画和汉字形式显示设备的启/停和油压变化、比例阀输出电流、电动机及胶带速度，并用不同颜色区分。发生故障时，自动跳转故障报警画面；故障排除后转入状态画面。按压显示翻页按钮，可以查看各个画面。为了表达人机对话的功能，在编制开机画面、状态
23、画面和数据采样图表及故障报警记录等状态信息时，具有显示和修改工作程序等功能。6煤矿地面带式输送机PLC集中控制系统位于济宁市高新区的山东能源临沂矿业集团公司田庄煤矿地面带式输送机集中控制系统以SLG500系列PLC为核心，山东科技大学和该矿利用以太网将输送带监控分站接入选煤厂监控中心，实现PLC集中控制中心对带式输送机电气控制系统的远程实时监控，对系统的重要局部实现比拟完善的检测保护，可以及时地发现事故并且对事故进展处理。该矿地面带式输送机PLC集中控制系统要求对输送带堆煤、沿线急停、超温、烟雾、低速、跑偏和高煤位等进展必要的自动保护，并且通过组态编程，可以根据程序设定和各个传感器信号之间的闭
24、锁关系实现逆煤流开车和顺煤流停车的远程集中控制，同时对储煤仓的上下位进展控制，以免在现场造成重大事故。需要解决的关键问题带式输送机运行经过中远程数据与监控中心之间的实时通讯问题，对效劳器设置主从配置构造；带式输送机运行经过中与现场电气控制箱之间各种传感器的可靠数据传输；带式输送机系统远程控制与原有控制的冲突问题，设定就地、集中控制自动和集中控制手动总共3种控制方式；平安消费经过中的数据实时记录。集中控制系统PLC集中控制系统对带式输送机的控制分为简单控制和保护控制2种形式。简单控制局部主要有给煤机、手选带式输送机、大块带式输送机、破碎带式输送机、破碎机、振动筛和回收块煤带式输送机挑选局部。这个
25、局部实现带式输送机电动机的启动与停顿。保护控制局部以201带式输送机、301带式输送机、大倾角带式输送机和栈桥带式输送机为运输的主要设备，集中控制系统对这个局部还具有跑偏、撕裂、急停、温度、堆煤、烟雾和速度的检测保护功能。PLC集中控制系统采用分布式控制构造，主要由地面控制中心、振动筛监控分站和煤仓监控分站2个监控分站、传感器、驱动装置和通讯网络组成。振动筛监控分站控制201给煤机、201带式输送机、振动筛、301带式输送机、大块带式输送机、手选带式输送机、回收带式输送机、破碎带式输送机、破碎机和回收筛等。煤仓监控分站控制精煤仓带式输送机、大倾角带式输送机和栈桥带式输送机。监控分站负责现场设备
26、的数据收集，带式输送机启停控制及与控制中心的数据通讯。监控分站的核心采用SLC500系列PLC。每个控制分站包括电源柜、动力驱动柜和信号柜等，通过PLC以及相关的输入输出模块实现独立控制，具有手动和自动的功能。数据收集装置由各种传感器组成，负责监视输送带的运行参数。地面控制中心设在选煤厂的监控中心，由计算机监控软件对整个带式运输系统进展监视和集中控制。2个PLC监控分站通过光纤以太网接入选煤厂监控中心。7矸石山带式运输系统PLC化集控改造位于济宁市邹城市的山东里能里彦煤矿是隶属于司法部的监狱煤矿，矸石山运输系统一直采用的是由翻罐笼和调度绞车等局部组成的传统运输系统。鉴于平安消费的实际情况，为消
27、除矸石山传统小绞车提升系统的缺乏，他们经过调研分析，改变运输系统的设计思路，把传统的绞车运输改为胶带运输。由原来的人力推车改造为自动滑行与爬车机、翻车机自动化运行和自动给煤机的适时开关相结合，全面实现矸石山运输的PLC集控方式。PLC系统硬件构成矸石山运输集中控制系统以三菱FX2N-64MR型PLC为主控单元、16WJDQB继电器板为驱动单元、三相步进电动机为执行单元。通过PLC的内部软元件为根底，集中控制翻车机、爬车机、给煤机和带式输送机的启停，实现对翻车机位置的准确控制、给煤机的自动开关、爬车机的远程自动控制和带式输送机的适时启停。在详细选型的时候，PLC根本单元采用电阻输出型，以知足16
28、WJDQB继电器板的要求。同时，接线时将PLC根本单元输出通过继电器，实现电动机的各种保护之后，再控制电动机。根据系统的动作要求，共有28个开关输入量和22个开关输出量。PLC控制系统通过输出端子控制电动机的电源，进而到达对各台设备之间的运转与停顿。控制软件矸石山运输集中控制系统的主要控制软件由三菱PLC软件组成。FX2N系列PLC的编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C有梯形图、指令语句和顺序功能图SFC的编写格式，他们利用SC-09编程电缆，直接把计算机的串行口与PLC相连，将计算机上的梯形图传送到PLC，完成实时监控与修改程序。系统控制软件编制采用模块化设计，主要包括开关量、位置和转动
29、方向等。控制方式根据消费和现场的使用情况，此集控系统可以通过集控箱上的开关选定整个系统是集控或单控。不管采用哪种控制方式，开车前都要先启动每台综合保护箱，使其进入正常工作，并且正确选定每台电动机的远/近开车方式。集控方式。当采用集控方式时，通过操纵台上的翻车机、爬车机、给煤机和带式输送机启动、停车按钮实现各台电动机的开车和停车。当其中1台设备出现故障时，操纵本台设备电动机的故障指示灯闪烁并响铃，司机可按动集控箱上的故障解除按钮来接解除铃声。单机控制。当采用单机控制时，先将每台电动机的控制方式设为“近控，然后通过通过操纵本设备电动机的启动与停顿按钮实现本台设备的运行和停车。此时，输送系统的联锁关
30、系已经解除，开停车顺序全系人为指令。使用效果基于PLC集中控制的带式输送机运输系统应用于该矿矸石山翻矸系统后，大量减少翻矸循环时间和人力每班减少10人，有效解决了翻矸系统制约消费的瓶颈问题，而且操纵简单、维护与维修量明显降低，获得了良好的应用效果。8完毕语带式输送机不仅是煤矿也是当代大型企业消费经过中必不可少的设备，但是单一依靠高质量、高性能的输送机还远不够，必须设置性能完善、质量可靠、技术先进的带式输送机监控系统，以实现输送带集群的集中控制和保护。带式输送机监控系统作为自动控制系统的一局部，主要完成运输系统工况的实时监控，防止在一般的带式输送机输送经过中执行继电器接点烧毁发生危险的时候电动机
31、不能及时停机。工业计算机作为上位机，可实现显示运行状态并集中控制；PLC作为下位机，可完成现场各种信号和数据的收集并实时控制。带式输送机PLC控制装置除了可以实现单台带式输送机控制外，还可以通过数据传输实现多台带式输送机的集中监控。PLC控制系统具有操纵简单、运行可靠、低能耗和易维护等优点。一个完好的PLC应用系统包括PLC控制系统和人机界面两个方面。PLC控制系统对控制现场进展数收集并完成控制功能；人机界面是人与控制系统进展信息及数据沟通的一个窗口。控制系统硬件由PLC及I/O设备构成。人机界面是介于人与PLC控制系统之的一个界面。操纵人员可以通过人机界面与PLC控制系统进展信息数据的处理和沟通。人机界面充分表达了PLC控制系统的I/O功能及用户对系统的控制功能。