基于PLC和网络通讯技术的带式输送机监控系统的研究

李 康

（山西晋城无烟煤矿业集团有限公司寺河煤矿， 山西 沁水 048200）

引言

随着带式输送机设备本体向大型化方向的发展，传统带式输送机监控系统的诸多缺点逐步呈现出来，例如：安全保护系统相互独立、信息不共享；故障检测系统误报率高，无法准确显示设备的运行状况、变化趋势；无管理级开放数据接口导致企业管理层无法实时了解掌握最新生产数据及进度情况。因此，如何更好地扩展带式输送机功能，更好地发挥带式输送机性能，使其向多元化、网络化、智能化、无人化方向发展成为当前一项迫切需要研究的关键技术。

1 工程概况

寺河煤矿与山西晋城机械集团股份有限公司将网络信息融合技术与机电一体化设备进行有机结合，为寺河煤矿带式输送机系统建立了基于PLC和网络通讯技术的带式输送机智能化监控系统。该系统选用主要用于分散外围设备与控制设备间高速数据传输的PROFIBUS-DP作为PLC与现场分布式I/O设备之间的数据通信，采用光纤实现控制主站与控制从站之间的数据传输，采用工业以太网实现PLC与上位机及管理层数据通讯。

2 带式输送机监控系统的设计

寺河煤矿带式输送机系统由破碎机、给料机和三条带式输送机组成，带式输送机长度分别为120m、8300 m、260 m。其中，破碎机由l台二象限变频器驱动，8300 m带式输送机为下运，由3台四象限变频器驱动。此外，系统还包括了供配电开关、液压张紧装置、盘式制动装置和现场保护传感器等设备。

监控系统由上位机和PLC组成两级计算机控制系统：上位机对系统进行实时监控、显示、存储运行数据及管理后台数据库。同时，通过无线网络与管理级进行数据交换。PLC由控制主站和控制分站组成。控制分站分别接收主站命令信号和现场设备反馈信号，并对现场信号进行简单处理后，将数据传送给主站。同时，执行主站下发的命令数据。控制主站接收控制分站反馈信号，并对数据信息进行处理。系统结构框图如图l所示。

图1 智能监控系统结构框图

2.1 系统工作模式

2.1.1 自动控制模式

自动控制模式主要通过PLC程序和组态软件实现，操作人员可以在上位机上启动、停止设备。当系统进人自动控制模式后先预警20 s，然后按照生产工艺流程顺序启动带式输送机系统，并根据反馈信号自动实现报警和联锁功能。当操作员按下停机按钮时，系统按照逆序逐级停机。当系统中某台设备出现故障或紧急停机时，故障带式输送机上级设备立即停机，下级设备继续运行，直到物料排空。

2.1.2 手动操作模式

该模式下，操作员可以单独操作设备的启停状态。解锁状态时，操作员可以不按照先后顺序启停设备。此时，保护传感器等仍有保护作用，系统仍可进行工况显示。

2.1.3 检修维护模式

在检修维护模式下，输送机脱离了计算机控制系统，仅能人工就地启停设备，保障设备及人身安全。

2.2 系统硬件结构

本监控系统上位机由2台工控机组成，互为备用，当其中任何l台工控机出现故障时均可瞬间切换至另外l台继续运行，保证设备生产不受影响。主站为S7-400冗余系列PLC，分站S7-300系列PLC。主站、上位机、分站之间均通过交换机相连。PLC与现场级分布式I/O设备之间采用PROFIBUS-DP通信，控制主站与控制从站之间采用光纤传输通信，PLC与上位机及管理层数据通讯采用工业以太网。整个PLC系统模块配置如图2所示。

图2 PLC系统模块配置图

2.3 系统软件设计

本监控系统共有三种工作模式：一是自动控制模式。使带式输送机根据生产工艺流程预先编制的程序来自动控制设备启停，各种保护信号均投入；二是手动操作模式，手动按钮控制设备启停，保护信号均投入；三是检修维护模式，手动按钮控制设备启停，保护信号选择地投入如图3所示。

图3 系统工作模式选择流程图

1）正常起车。开车前，智能控制系统根据现场情况，首先进行自检，具体为采集各保护开关信号，诊断系统有无故障，是否满足启动条件。若均满足，执行启动程序。

2）正常停车。运行中出现以下情况执行正常停车程序包括人为按动停车按钮；上下级联锁设备停车；液压站油压不足；出现保护开关信号动作；通讯中断；自动开车条件失效。

2.4 系统功能及特点

1）现场传感器信号的采集与处理。

2）不同系统数据信息融合。安全保护系统、驱动系统、张紧系统、制动系统、输送带检测系统进行数据信息融合，集中管理，综合监控。

3）生产过程设备和工艺流程状况监测。对设备运行数据进行分析和判断，提供设备运行变化趋势及维修保养指导等。同时，实时监控生产工艺流程中各个工艺环节的执行情况，确保顺利完成生产任务。

4）画面显示及后台管理。画面显示整个生产系统中各设备的运行状态，存储相关工艺参数，记录故障信息，提供数据统计分析和历史数据曲线查询，生成和打印各种报表。

5）完善的系统保护。可进行短路、断路、缺相、过载、过流、过压、欠压、超温、超速、堵转等综合保护，同时，可监控系统的打滑、堵料、皮带撕裂等状态。

6）节能降耗。根据上游料量情况，自动调整8300 m带式输送机速度。排料时料量大，提高带式输送机速度；料量少时，降低带式输送机速度，以实现节约能源，降低消耗。

7）提供管理层数据接口。企业授权的情况下，可为管理层开放数据接口。管理层可以实时查看现场运行情况，了解掌握最新生产数据及进度情况。

8）自诊断功能。控制单元能自动诊断硬件故障信息，并将故障信息上送主控制级。

3 实践应用效益

该监控系统将网络信息融合技术与传统带式输送机设备进行有机结合，极大提升了传统带式输送机的使用性和可靠性，对带式输送机行业的发展起到了良好地推动和促进作用。顺应国家智能生产制造和传统工业转型升级的发展方向。该系统在同煤集团寺河煤矿的实践应用表明，该系统能产生很好的经济效益，主要有：系统可提前预测及预判故障信息，降低了运行设备的故障率，降低了维修成本，提高了设备的使用寿命；系统保护功能完善齐全，可大大减少巡检人员，降低企业人力成本，同时，提高效率，减轻工人劳动强度；四象限变频器的应用，能将回馈的电能进行有效利用，从而节约电能，降低消耗。该系统在寺河煤矿经过近半年试运行，实践效果表明，该系统保护功能齐全、配置合理、通讯速率稳定。每天可节约电能200 kW，共节约近36 MW，同时，巡检维护人员减少了2/3。

4 结论

寺河煤矿与山西晋城机械集团共同设计发了基于PLC和网络通讯技术的智能化监控系统，该系统操作简单方便，运行良好，可靠性高，完全满足寺河煤矿实际生产的需要。