基于PLC的煤矿井下运输系统控制装置的研究.pdf

2 0 1 2年第 3 期 中州煤炭 总第 1 9 5 期 基于 P L C的煤矿井下运输系统控制装置的研究 任 中华 1 ． 中国矿业 大学 信 电学 院， 江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 平煤股份 五矿 ， 河 南 平顶 山4 6 7 0 0 0 摘要 平煤股份 五矿西翼暗斜 带式输送机担 负着 己四采 区的煤 炭运 输任务 ， 为 了提 高带式输送机 运行的可靠 性及安全性 ， 设计 了基于 P L C的煤矿 井下运输 系统控制装置 。该装置 采用 西门子 s 7 - 3 0 0系列作 为中心控制 单元 ， 设计 了硬 件和软件 ， 并能够根据相关传感器传递 的信 息对 带式输送机进行 自动 化操 作 ， 提 高 了平煤 五 矿煤炭运输及生产 的安全 水平。 关键词 带式输送机 ； 自动控制 ； s 7 ． 3 0 0 ； P L C ； 自动化操作 中图分类号 T D 6 3 4 ． 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 2 0 3 0 0 1 9 0 2 平煤 股份 五 矿核 定 生产能 力 为 1 6 5万 t ／ a ， 己 四 采 区地质 储量 4 7 ． 1 9 3 Mt ， 可 采 储 量 3 1 ． 4 5 1 Mt 。其 中己。 煤层可采储量 8 ． 6 2 8 Mt ， 己 煤层可采储量 2 2 ． 8 2 3 Mt ， 西翼 暗斜胶带主要担负五 矿己四采区煤 炭 的运 输 任务 ， 设计 年 运 输 量 1 5 0万 t ／ a ， 胶 带 长 度 及倾 角 L 】 1 4 5 0 m， l 5 。 2 1 4 8 ” ； L 23 2 7 m， 2 1 0 。 3 0 ； L 5 0 m， 0 。 ； 运 输 不 平 衡 系数 1 ． 2； 运输能力 5 0 0 t ／ h ， 每年运行 3 3 0 d ， 每天运行 1 6 h 。 通过带式输 送机 的电机及各类传 感装置 实施 P L C 运行 参数 自动 检测 及动 态 显示 ， 并 将数 据传 送 到 地 面生 产调 度 中心 ， 进行 实 时监 测及 报警 显示 。 1 系统设计 要求 系统 通过 速 度 及 打 滑 保 护 装 置 ， 烟 雾 、 温 度 、 超 温 自动洒水保护装置， 胶带机跑偏保 护和堆煤保护 装 置 ， 纵 撕保 护装 置 ， 高压 电 动绕 组及前 后轴 承温 度 检测 保 护装置 ， 主 电机 的 电流 检 测保 护装 置等 各 种 传感 保护 装置 设计 对带 式 输送 机运 行过 程进 行有 效 的监控及保 护 ， 同时以图形 、 图像 、 数据 、 文字等方 式 ， 直观 、 形象 、 实 时反 映 运输 系统 工作 状态 ， 并通 过 通信模块与综合监测监控主机实现数据交换 。 2系统硬件设计 2 ． 1基本 构成 系统 硬件 以可 编程 控 制器 P L C 为核 心 的控 制 单元 ， 与液体 黏性传 动装置构成带 式输送机 的机、 电、 液一 体化制 动控制 系统。系统 由 P L C控 制主 收稿 日期 2 0 1 11 1 2 8 作者简 介 任中华 1 9 6 5 一 ， 男 ， 河 南驻 马店人 ， 高级 工程 师， 1 9 8 9 年毕业于焦作矿业学院 ， 现任平煤股份五矿机电矿长。 站 、 机身 机尾 P L C控制分站、 带式输送机保护部 分 、 通信及信号部分组成 ， 用来完成整个系统的数据 采集、 设备控制 、 信息传输 、 数字及模拟信号的输入 输 出及数据交换 ， 使 系统能可靠地实现带式输送机 的无冲击软启动、 起车预警、 停车、 紧急停车 、 故障保 护停车和对相关设备的开停控制。该系统能实现单 机控制 ， 信号通过 S 7 - 3 0 0 P L C系统 以太网接口上传 到地面指挥 中心⋯ 。构建的硬件系统如图 1 所示 。 垂垂 囚一 里亟]一 P I E 控 一 R s - 4 8 5 ] 制 器 正常停车信 L 号系统输人 l 图 1系统硬件基本构成 s 7 ． 3 0 0系列 P L C控制单元采用 串行 收发芯 片 MA X 4 8 5 。光 电 隔离 1 2 V与 2 4 V 电路 采用 电平转 换 电路 ， 节 点 开 路 电 压 2 0 0 V 以上 ， 闭 合 电 流 为 5 mA。主电路用双直流 电动机 串行拖动双电机串联 运行 ， 2个 电动机转速相等 ， 流经 电枢 的电流相 同， 力 矩相 等 。主 回路 由电枢 回路 与励 磁 回路 2部分组 成 。 电枢 回路 由 2组 晶 闸 管整 流 器 串行 连 接 ， 采用 顺序控制方法 ， 减少启动时无功冲击 ， 减小晶闸管压 降。励磁电路由 2组并联 晶闸管整流器组成 ， 实现 平 滑调 速启 动 和制动 。 2 ． 2传 感器 选 型 采用 K H P 1 2 8 ． Z型煤矿用带式输送机保护装置 主机。①速度保护装置采用 G S C 2矿用速度传感器 ． 1 9 2 0 1 2 年第 3 期 中州煤炭 总第 1 9 5期 测量矿用带式输送机需要测试点的速度 ， 当被测速 度不符合额定值时主机提供触发信号 。②超温 自动 洒水保护采用 G WD1 0 0矿用温度传感器 ， 它采用本 安型集成感温探头 ， 对带式输送机被检测处的温度 进行定值测量并输 出开关量信号 。③烟雾保护采用 G Q Q 0 ． 1矿用烟雾传感器 ， 当烟雾浓度 ≥0 ． 1 m g ／ m 时， 输出低 电平信号实现烟雾保 护。④跑偏保 护采 用 G E J 3 0矿用跑偏传感器 ， 它通 过跑偏开关的探杆 带 动探 杆 轴旋 转 ， 当转 到 一定 角 度 时 拨 动 跑 偏 开 关 内的行 程开关 ， 发 出跑 偏信号 。⑤ 堆煤保 护采 用 G U J 3 0矿用堆煤传感器 ， 当输送机埋机头、 满仓 ， 煤 触及煤位传感器的触头并推动触杆偏离中心线之间 的动 作摆 角 大 于 3 0 。 时 ， 传 感 器 动 作 并 能 自动 切 断 电源 ， 实 现 煤 位 保 护。⑥ 胶 带 撕 裂 保 护 采 用 G V Y 1 ． 5矿用撕裂传感器 ， 当作用力达到 2 0 N时传 感器动作 ， 输出电阻值小 于 2 k O， 无 物料 时输出电 阻值大于 1 MQ。当输出电阻值小于 2 k Q 时 ， 可通 过 P L C主 机发 出撕 裂 信号 ， 并延 时 2 s 控 制 主 机 停 机 。⑦急停保护采用 K H J 矿用急停开关 ， 当急停传 感器的拉杆受动力作用后立 即动作 ， 输 出控制信号 并锁定。之后 ， 必须在人工复位后方可解锁。 3 系统软件设计 系统 软件 架构 如 图 2所 示 。P L C现场控 制 与 控 制 中心间通过以太网模块 C P 3 4 3 1 进行 O P C通信。 在 控 制 中 心 操 作 服 务 器 上 安 装 S 7 S I E ME N S S O F T N E T， 同时 安 装 I n t o u c h组 态 软 件 的 O P C L I N K 客 户 端 驱 动程 序 ， 这样 通 过 以太 网就 可 以实现 P L C与 控 制 中心操 作 服务 器 的数据 交换 。 图 2系统软件架构 本 系 统 的上 位 监 控 软 件 采用 客户 机／ 服 务 器 模 式。其 中包括 2台互为冗余 的操作服务器和 1台历 史 服务 器 ， 主要 实 现 数 据 的采 集 和 处 理 。历 史 服 务 器安装 S Q L S E R V E R 2 0 0 3 ， 实 现 数 据 的 存 储 功 能 。 上位 监控 软 件 采 用美 国 Wo n d e r w a r e公 司 的 I n t o u c h 版软件 ， 并结合 A r c h e s t r A软件 ， 从而获得一个统一 的环境来集成多个 不同的数据源信息 ， 同时提供一 ．20 ． 个 通用 的基础 架构 和服 务套 件 。操作 终端 实现 对 带 式输送机的画面显示 、 曲线绘 制、 运行 报表 以及 报 警 、 打印等功能。 3 ． 1上位 机软 件设 计 主要 从 数 据采 集 、 实 时监 控 与 管理 两 方 面 对 上 位 机 软件 进行 设计 图 3 。 l l I l 系 统 标定 l l 状 态 显 示l l 报 警 处 理l I 故 障 分 析 l l 数 l 接 l 国 -』_ 国 实 头 时 标 报 定 表 里 刁 图 3上 位 机 监 控 系 统 结 构 1 人 机界 面 的 设 计 。 通 过 显 示 器 和键 盘 、 鼠 标 ， 实现 “ 人 机 对 话 ” 功 能 ， 实 施 操 作 人 员 对 监 控 系 统 的操 作 和 干 预 。该 软 件 设 计 有 “ 菜 单 ” 和 带 有 图 标 的“ 按钮 ”， 用户操 作 更 加方 便 快 捷 。人 机 界 面 监 控 系统还 可显 示历 史 数 据 、 实 时 数 据 及 各 种 用 户 所 需要 的动 态 曲线 ， 并 随 时打 印 。人 机 界 面 为 汉 字 界 面 ， 包 括菜 单 、 操作 提示 、 图形 、 表 格等 。当在 系统 范 围 内发生 需要 引起 操 作 人 员 注 意 的 事 件 时 ， 系 统 将 发生 一 系列 的报警 。各 种报 警信 息将 被 数据 库 明确 分类 、 归档， 并可以按 日期 、 类 型分别检索查询 。 2 图形界 面 的设 计 。包 括 监 控 软件 总 面 貌 的 显示 、 工 艺流 程 图画 面 、 分 组 画 面 、 实 时 及 历 史 趋 势 图显 示 、 监控 实 时数 据 及 报 警 显 示 等 。所 有 画面 可 以 动画形 式反 映 控制 系统 的实 时 参 数 ， 画面 显 示 形 式一 般模 拟 实际 系统 的状 况 ， 以符 合 操 作 人 员 的 习 惯 。 3 故障信 息数 据库 的设计 。故 障信 息 的采 集 、 存 储 ， 故 障信 息 数 据 库 包 括 故 障 信 息 的实 时 记 录 、 管理 、 查 询等 。故 障信 息显 示其 在所 运行 的 系统 具体 位 置 ， 一 旦 出现 故障可 以迅 速查 出并排 除 。 4 实时 数据 库是 监 控 软 件 的基 础 。系统 运 行 的实时数据均存放在此库中。实时数据库的结构设 计极大地影响到软件 的编程效率 ， 其数据 的安全性 和完整性也相当重要。历史数据库作为历史趋势数 据的来源， 主要应考虑数据记录的密度 、 容量等通信 功能 。 下转 第 5 8页 2 0 1 2 年第3期 中州煤炭 总第 1 9 5 期 保孔斜率不大于 1 ％。在 钻进过程 中， 经检查发现 孔 斜过 大 ， 及 时调整 桩 机水 平度 及 钻杆垂 直 度 ， 终 孔 后 校量 钻具 ， 孔 深精 度 控制 在 1 0 e m 以内 。 3 浆液 配 制 。用灰 浆 搅 拌 机拌 制 1 1水 灰 比 的水泥 浆液 。 4 旋 喷注 浆 。待 柱 孔 钻 进 结 束 后 ， 将 注 浆 管 下至设计深度 ， 启动高压水射流泵 、 注浆泵和空压机 进 行 旋 喷 作 业 ， 在 桩 底 停 浆 约 0 ． 5 mi n后 按 1 5 0 mm ／ m i n的速度 慢 慢 提 升 钻 杆 ， 借 喷 射 旋 转 提 升 的 协调作用 ， 将水泥浆和原土中的粗颗粒及新 的冲切 体旋转成一体 ， 固化成桩。在注浆过程中 ， 认真检查 水 泥浆 的水 灰 比和流 量 、 高 压 泵压 力 和钻 杆 的提 升 速 度及 回转 速 度等 施 工 参 数 ， 并 及 时做 好 现 场 施 工 记 录 。 5 回填 灌 浆 。喷 射 结 束 后 ， 在 水 泥 浆 不 断 析 水 固结 、 浆 面 随之 下 降 时 ， 及 时 向 孔 内补 充 水 泥 浆 液 ， 直至液面不再下降为止 ， 该工程采用 自流回灌 。 6 喷射施工完毕后 ， 将注浆管等机具 、 设备用 清水冲洗干净 ， 管内不得残存水泥浆 。 7 为保 证 止 水 效 果 ， 旋 喷 桩 施 工 采 取 每 圈 间 隔施 工 ， 每 圈相 邻桩 间 隔时 间 ≥2 4 h 。先施 工 内圈 ， 后施 工外 圈 。 5 井颈 第四 系地层段 施工 回风井 井筒 于 2 0 1 1年 5月 2 3日开 始 施工 大 临 工程 ， 利用井架基础养护期间组织施工止水帷幕。6 月 1 0日正 式施 工 ， 2 0 日施 工 结 束并 撤 场 ， 施 工 时 采 上 接 第 2 0页 3 ． 2 P LC 控制 软 件设 计 用 户 将 编 制 好 的程 序 用 编 程 器 输 入 P L C的 用 户 程序 存储 器 中寄 存 。 P L C按 分 时操 作 ， 每 时 刻 执 行 一操 作 。在无 中断 或 跳 转 控 制 下 ， 按 存 储 地 址 号 递增 的顺 序 逐 条扫 描 用 户 程 序 ， 也 要 逐 条 执 行 用 户 程序 ， 从 头 到尾 重复 执行 。P L C程 序执 行 过程 将 输 入信号状态 开或关 ， l或 0 输入 映像 寄存器 中寄 存起来 ， 接着转入执行阶段。在程序执行期 间即使 输入状态变化 ， 映像 寄存器 的内容状 态不变。P L C 对程序按顺序扫描 ， 先 上后下、 先左后右进行 扫描 ， 每 扫描 到一 条指 令 时 ， 从 输 入 映像 寄 存 器 和 元 素 映 像 寄存器 中读 出后 ， 将 执 行 结 果 写 入 到 元 素 映像 寄 存器 中。程 序执 行完 后 ， 进入 输 出刷 新 阶段 ， 输 出继 电器的状态从 元素映像 寄存 器转存 到输 出锁存 电 ． 58 ． 用 “ 隔 一打 一 ” 的方 式 ， 共 施 工 高压 旋 喷 桩 7 0根 ， 注 水泥 3 9 9 ． 8 t 。高压旋喷桩施工实际参数 高压水压 力 3 7～3 9 MP a ， 输 水 量 7 0 L ／ m i n ， 气 流 压 力 0 ． 7 MP a ， 气 量 0 ． 8～1 ． 2 m ／ m i n ， 水 泥 浆 液 压 力 1 ． 0 MP a ， 浆 液量 8 0 L ／ mi n ， 浆 液 密 度 1 ． 5～1 ． 6 g ／ c m ， 提 升 速度 1 0～1 2 c m／ m i n ， 转动 速度 1 2 r ／ mi n 。 施工过程重点监控钻机就位 、 校正 ， 设计终孔复 核 ， 中断部 位复 喷 ， 回灌 孔 内浆 液 液 面 高 度 ， 多 级 滤 网过滤水泥浆杂物等参数 ， 随时观察水泥浆返浆情 况 ， 根据 返 浆量 及 灰 浆 成 分 对提 升速 度 、 压 力 、 流量 参数进行微调 ， 确保喷浆效果 ， 实现安全 ， 环保达标 。 2 0 1 1年 7月 2 0 日井 颈段 开 始施 工 ， 采 用 2 ． 5 m 掘 砌 段 高 模 板 ， 施 工 过程 中 检验 涌 水 量 0 ． 5 m’ ／ h ， 未 出现 局部 漏水 涌 砂 严 重 、 致 使 竖 井 掘 砌 无 法 施 工 的情况 ， 达 到 预 期 止 水 效 果 。7月 2 7 日， 第 四 系 土 层 旋 喷段安 全 掘砌 完成 。 6 结 语 回风井第四系土层止水帷幕 的高压旋喷桩为素 水泥桩 ， 其主要作用是 止水 ， 其抗 弯及抗剪能力 较 差 。在 掘砌 开 挖过 程 中 ， 采用 2 ． 5 m掘砌 段 高模板 ， 加 快施 工速 度 ， 以最 大 限度 减 少 止 水 帷 幕 的暴 露 时 间 ； 在 掘砌过 程 中出现 局 部 桩 径 稍 小 于 设 计 荒 径 的 现 象 ， 均 采用 人 工 风 镐 破 除 。特 别 是 在 止 水 帷 幕 底 部 施工 ， 充分 考 虑爆 破 对 尚处 在 暴 露 过 程 中的 止水 帷幕影响 ， 采用人工风镐掘进 ， 确保了旋喷段施工安 全 。 责任编辑 秦爱新 路 ， 再驱 动 负载 达到 实 际输 出 ， P L C重复 执行 每 一个 工 作周 期 。 4 结 语 根 据 平 煤 股 份 五 矿 的西 翼 暗 斜 带 式 输 送 机 系 统 ， 按 照相关 的防护 要 求 选 择 一 定 数 量 和 类 型 的 传 感 器 ， 通过 S 7 ． 3 0 0 P L C存 储 容 量 及 响 应 速 度 ， 确定 所 用 P L C的型号 和功能 模 块 ， 并 设计 了 系统 控 制 流 程 图 ， 使 用 P L C语 言编 写 了带 式 输 送 机 自动控 制 程 序。同时安装 I n t o u c h进行显示 ， 达到对胶带运输系 统 进行 自动 控制 的 目的 。 参 考文 献 [ 1 ] 廖常初 ． 7 0 0 ／ 4 0 0 P L C应 用教 程 [ M] ． 北 京 机 械工业 出版 社， 2 0 0 8 ． 责任 编 辑 许 久峰