矿用皮带机电气控制系统的设计研究

张志辉

（山西潞安集团潞宁煤业公司， 山西 忻州 036000）

1 皮带机电气控制系统工作原理的介绍

皮带机的全称为带式输送机（以下简称皮带机），不仅具有可靠性高、运输平稳、结构简单、修护方便等优势，而且结构形式多种多样，被广泛应用于制造业，尤其适合矿井下连续作业的工况，不仅可以实现供料初始点至卸料最终点的连续性运输作业，而且运输的物料与皮带之间无相对运动，有效地避免了物料出现破损的情况。为了有效地提高矿井下运输作业效率，并保障皮带机安全可靠地工作，须根据皮带机实际工况对电气控制系统进行特殊设计，以确保满足运输需求。

矿用皮带机电气控制系统是一套故障警报控制装置系统，能够对皮带机进行自动控制和智能故障警报。本文中的皮带机电气控制采用PLC 控制系统，其结构为主从式结构，主站为触摸屏的上位机和主PLC 控制，从站为传感器保护装置和从PLC 控制，从PLC 控制可至多分32 个PLC 控制，从1 号PLC 控制可分到32 号PLC 控制[1-2]。在本系统中，主站PLC 控制台可对皮带机进行实时监控和控制，主站和从站之间的通讯具有自动控制和保护的作用，从站上采集的数据将会发送至主站的PLC 控制，主站中的触摸屏上显示参数和故障，当矿用皮带机出现故障时，该故障则会及时地反应到主站触摸屏上[3-4]，整套系统的电气控制原理图如图1 所示。

2 皮带机电气控制系统的主要功能

皮带机电气控制系统可以在满足基本电气控制系统的要求下，根据自身实际工况需求进行特殊设计，旨在提高生产效率以及确保皮带机可靠、稳定、安全地工作。皮带机电气控制系统的功能实现，需要硬件和软件的共同实现，一个控制系统不仅要满足基本的电气控制，还要具备自身特点。本文中的系统主要分为主站和从站，均采用PLC 控制器进行控制，可以实现自动控制主站和从站之间的通讯，由从站采集数据传输给主站，经中央处理器（CPU）处理后，在主站和从站的触摸屏上显示故障信息和指示灯[5-6]。通过触摸屏的人机界面，电气系统可实时显示皮带机的速度、环境温度、传动轴工作温度等参数，并根据这些参数来判断皮带机的工作状况，实现自动控制。

本文的电气控制系统主要有以下功能：实时显示：控制系统的触摸屏人机界面可以实时显示皮带轮速度、打滑、传动轴工作温度、烟雾等参数及故障信号，当皮带机出现故障时，系统会自动播报相应的故障语音，起到警报、提示作用；故障保护：皮带机设备出现故障时，系统可自动控制皮带机紧急停机，避免出现更多的故障，比如当皮带机出现打滑、超速等故障问题，系统可自动控制皮带机电机进行停止转动；多种控制方式：系统包含自动控制、手动控制、集中控制、设备检修、闭锁等多种控制方式，系统不同的控制方式可应对不同的工作状况，满足不同的工况使用要求，比如对于电机须遵循启动与停止控制，在有故障出现的情况下也不会出现堆煤现象。

图1 矿用皮带机电气控制系统结构原理

3 皮带机电气控制系统功能的实现

皮带机电气控制系统主要是通过PLC 控制器实现自动控制，PLC 是系统的核心部件，它是一种专为工业环境应用而设计的数字运算操作系统，是目前工业现场控制的专用部件，可以根据工况需求进行特殊性编程设计，实现功能需求[7]。皮带机电气控制系统的PLC 主要组成部件有CPU、编程器、存储器、电源等，其结构图如图2 所示。

图2 PLC 结构图

皮带机电气控制系统主要是通过PLC 实现系统功能，PLC 通过自身内部的电路系统采集外部信号数据，再经CPU 处理，CPU 根据内置程序控制执行元件执行的相应动作，如皮带机电机、指示灯等。此外，PCL 采用循环扫面的方式进行工作，对编写的程序梯形图的读写是从左到右和从上到下的顺序执行的，各个模块按照内置程序执行相应动作，系统工作流程图如图3 所示。

图3 工作流程图

皮带机电气控制系统主要有主站功能、从站功能、语音报警功能以及故障精准定位功能。

3.1 主站功能实现

通过PLC 的基本模块（电源通讯模块、CPU），可完成皮带机电气控制系统主站功能的实现，首先确定基本模块——电源通讯模块和CPU，再选取晶体管输出模块和开关量直流输入模块，配置相应的指示灯和按键，其余模块可根据工作要求进行额外增加，最后给每个硬件分配合理的IO 口，并进行编程，即可实现皮带机电气控制系统的主站功能。

3.2 从站功能的实现

按照主站功能系统，通过PLC 的基本模块（电源通讯模块、CPU），可完成皮带机电气控制系统从站功能的实现，首先确定基本模块——电源通讯模块和CPU，再选取晶体管输出模块、开关量直流输入模块、电压模拟量输入、语音输出模块，配置相应的指示灯和按键，其余模块可根据工作要求进行额外增加，最后给每个硬件分配合理的IO 口，并进行编程，即可实现皮带机电气控制系统的从站功能。

3.3 触摸屏动画显示功能的实现

皮带机电气控制系统通过从站采集数据，传送给主站，通过CPU控制、编译控制程序，分配IO 口，在触摸屏上显示系统信息，实现触摸屏动画显示功能。

触摸屏界面主要有四部分：主页，包含触摸屏中的所有按键和显示内容；手动操作界面，切换操作界面，可单独手动控制皮带机的启动和停止；参数设置；警报界面。

3.4 语言报警功能的实现

语音报警功能是在工作环境中的从站运行时用作报警提示用途。皮带机电气控制系统选取3V0V语言模块，将SP 和PG 连接到扬声器，可实现32 段语音的输出，每段语音最长可达42 s。

3.5 故障精准定位功能的实现

皮带机电气控制系统在主站的触摸屏可显示故障位置，通过主站和从站之间的正常通讯，将从站传感器上采集的数据传给主站，主站处理后显示在触摸屏上。然后，在主站中要准确读取从站保存的数据并进行分析，再通过主站的准确定位程序进行故障定位才能准确定位，最终显示在触摸屏上。

4 实际应用效果

为验证皮带机电机控制系统的综合性能，将其在某煤矿中的皮带机上进行了为期6 个月的应用测试，主要将该系统嵌入至皮带机中，观察并记录该控制系统与皮带机的控制性能。应用结果表明：与原有的皮带机控制系统相比，该控制系统能更加全面、有效地实现对皮带机的控制，且控制精度更高，信号响应速度更快；当皮带机发送异常故障时，该系统也能及时发出相应的报警提示。据现场人员估算，该控制系统能使皮带机的故障发生率降低35%，故障检修时间缩短40%，在单台皮带机上，一年能为企业节约将近3 万元的相关费用支出，所带来的效益相当明显。由此，验证了该系统的可行性。