基于PLC的煤矿井下皮带集中控制系统设计方案

刘凯源　刘信　刘凯

摘 要 煤炭运输是煤矿生产中必不可少的重要生产环节。胶带输送机具有运行可靠灵活、动力消耗低、输送线路适应性强等技术优势，在煤矿中得到广泛应用，为了保证煤矿运输系统安全可靠运行，对胶带输送机进行集中监视和控制很重要。本文以某矿主斜井及地面胶带输送机为背景，设计出了以PLC技术为核心的皮带集中控制系统，保证了煤矿运输系统安全可靠运行。

关键词 PLC 胶带输送机 S7-300 集中控制系统

中图分类号：TP277 文献标识码：A

1概述

煤炭运输是煤矿生产中必不可少的重要生产环节。煤炭运输线路往往比较长最远可达数千米以上，巷道条件变化大，运输如果不通畅，整个矿井生产将会受到影响，严重时可导致整个煤炭生产系统瘫痪。

胶带输送机具有运行可靠灵活、动力消耗低、输送线路适应性强等技术优势，非常适合煤矿运输，因此在煤矿中得到广泛应用。

2 设计背景介绍

某矿是年产125万吨的大型矿井，采用胶带输送机作为其主要运输方式，其主运输系统包括主提升胶带输送机、走廊胶带输送机、振动筛、中煤块胶带输送机、大煤块胶带输送机、过桥胶带输送机和末煤刮板输送机、煤仓等。各条皮带机都由一台电动机驱动，正常运行速度为2m/s，其中振动筛为双层的，每条皮带机均设置跑偏、堆煤、烟雾、拉线急停、打滑、纵撕等保护。其工艺流程图如图1所示。其中箭头指示煤流方向。

本矿井皮带运输系统控制采用继电器控制，可靠性差、体积大、故障率高、劳动强度较大。其控制方式有两种：集中手动控制和就地控制，没有集中自动控制，所有的控制都由人来操作。集中控制室设在选煤楼振动筛的附近，由控制柜、操作台和触摸屏组成。皮带机的控制通过操作台上对应的启停按钮集中控制，触摸屏实时显示皮带的运行状态和故障状态集、故障位置。各皮带机的机头或机尾都设置就地控制箱，在检修或特殊情况下进行现场的就地启停控制。皮带按逆煤流启动，顺煤流停车。启动顺序为：末煤刮板机、过桥皮带、大小块皮带、振动筛、走廊皮带、主提升皮带、给煤机；停止顺序与此相反。每一条皮带安排一人专门负责巡视，劳动量大、效率低。

3胶带机集中控制系统的总体设计

3.1胶带输送机集中控制系统的功能设计

本胶带输送机集中控制系统具有的功能如下所述：

（1）本系统有集控、就地、检修三种工作模式。一般系统运行在集控工作模式下，当组成生产流水线时，本机根据前后闭锁关系自动启、停，同时检测各检测保护设备的状况；运行就地工作模式时，操作员手动操作按钮启动、停止胶带机，所有保护设备均投入使用；运行检修工作模式时，操作员手动启动、停止胶带，保护设备可有选择性的投入使用，在检修模式下，我们使胶带低速运行。工作模式的改变，只有在胶带输送机停止工作时进行，胶带输送机运转时，不能改变其工作模式；

（2）报警停车等故障信号自动保持，即运转过程中一旦发出故障信号停车，即使维修人员将故障排除后，设备仍然无法启动，这时可以通过计算机的复位指令功能就可以消除掉故障信号状态，设备才能启动；

（3）煤矿胶带输送机按照逆煤流启动，顺煤流延迟停车，同时具有闭锁保护功能；

（4）系统具有胶带机低速打滑、机头堆煤、超温洒水、烟雾、滚筒超温、沿线急停和跑偏等多种保护；

（5）对设备运行状况及工艺参数变化进行实时监测，并具有声光报警功能；

（6）可与工业电视系统进行连接，通过工业电视系统实时监视皮带机重点部位运行情况，以确保人员及设备的安全。具有喊话、打点通讯功能，可实现现场无人值守；

（7）胶带运输机的开、停有就地启动和远程集控启动两种操作方式，方便根据需要自主选择操作方式。设备启动前发出预警信号，提示有关人员应立即远离设备；

（8）具有联网功能，可与矿井综合自动化监控系统可靠的连接、实现一体化全局监控。

3.2胶带输送机集中控制系统结构设计

系统结构采用PROFIBUS-DP现场总线技术，组成主从系统结构。根据工艺流程划分，系统以PLC为控制主站，以每条皮带就地控制箱配备的远程I/OET200M为从站，共设7个从站，这样就节约了大量电缆等材料。本系统由集中控制台、PLC控制柜、触摸屏、就地箱、各种保护传感器及执行器组成。完成一个系统内多条皮带多个设备全过程的控制、监测，构成一个完善的集中控制系统。其系统结构如图2所示。

3.3胶带输送机集中控制系统设备构成

胶带输送机集中控制系统主要由PLC、人机界面等组成，它主要控制胶带输送机、各种参数检测和故障保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。

3.4胶带输送机集控系统硬件设计

3.4.1集控系统PLC的设计

（1）CPU的选择。

①I/O点数的确定。经过对各输入输出的大略计算，本设计中需要数字量输入164点，数字量输出69点，模拟量输入通道14路。

②存储器容量选择。PLC的I/O点数估算值大小，在很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因此可以在I/O点数估算值的基础上计算对PLC存储器容量的需求。目前，大多用统计经验公式进行存储器容量估算。这种方法是以PLC处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验值为依据，乘以信息量数再考虑一定的裕量计算得到存储器需要容量。作为一般应用下的一种经验公式是：

存储器容量（KB）=（1.1～1.25）€祝―I€？0+DO€？+AI/O€？00）/1024

其中：DI为数字量输入总点数；

DO为数字量输出总点数；

AI/O为模拟量I/O通道总数。

DI点数估计值为164€？.15=189，DO点数估计值为69€？.15=80，AI通道估计值为14€？.15=17个。所以存储器容量为：

1.2€？189€？0+69€？+17€？00）/1024=4.62KB

工程实践中，大多采用粗略估算，加大裕量，实际选型时参考此值采用就高不就低的原则。

③响应速度。PLC是为工业自动化而设计的通用控制器，不同档次的PLC的响应速度一般能满足起应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者应用中的某些功能或信号有特别的速度要求时，确定PLC的型号就应特别慎重。

通过上面的计算，考虑系统通讯和冗余的要求，选用SIMATIC S7-300系列中的CPU315-2 DP是最合适的。其中最主要的原因是CPU315-2 DP是S7-300系列中唯一带现场总线（PROFIBUS） SINEC L2-DP接口的CPU模块。内置80KB RAM，随机存储器为48KB，最大数字量I/O点数为1024个，最大模拟量I/O通道数为128个。最大配置4个机架，32块模块。满足设计需要。

3.5 胶带集中控制系统软件设计

3.5.1 集中控制的流程图

西门子的S7-300系列PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的通信。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。

该集中控制系统共有三种工作方式。集控方式下，胶带机和给煤机根据生产工艺流程预先编制的程序来集中控制启停，各种保护均投入；就地方式下，胶带机和给煤机由操作员控制手动按钮通过PLC分别控制它们的启停，保护也均投入；检修方式下，胶带机和给煤机也采用手动按钮通过PLC分别控制启停，但是保护可根据需要有选择的进行投入，各故障的投入选择可在显示屏内进行控制。

4总结

矿井胶带运输系统是分布复杂，部件繁多，且又要求运行协调一致的连续运输系统。为了保证煤矿运输系统可靠安全运行，对胶带输送机进行集中监视和控制很重要。通过以PLC技术为核心的皮带集中控制系统，大大提高了运输系统的自动化监测和控制水平，保证了煤矿运输系统安全可靠运行。

参考文献

[1] 于学谦.矿山运输机械[J].徐州：中国矿业大学出版社，1998.

[2] 骆德汉.可编程控制器与现场总线网络控制[J].北京：科学出版社，2005.

[3] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京航空航天大学出版社，2004.