郭剛 謝曉東 楊鵬里 李奕 王若楠
(1.山西大同大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心 山西省大同市 037003)
(2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 山西省大同市 037003)
煤礦井下固定崗位無(wú)人值守與遠(yuǎn)程管控,是煤礦智能化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。隨著煤礦智能化建設(shè)的不斷推進(jìn),礦井煤炭主運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控改造成為必然要求,本項(xiàng)目基于PLC 和組態(tài)軟件的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了煤礦井下皮帶運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng),可為煤礦井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行模式的升級(jí)改造提供參考。
系統(tǒng)以西門子PLC 作為控制核心,通過(guò)各種傳感器在數(shù)據(jù)采集層完成對(duì)煤礦井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、保護(hù)參數(shù)的采集,數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),通過(guò)組態(tài)畫面實(shí)施皮帶系統(tǒng)的逆煤流啟動(dòng)、順煤流停止的順序聯(lián)鎖控制;組態(tài)畫面實(shí)時(shí)顯示煤礦井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的工作參數(shù)和各種保護(hù)信號(hào)的數(shù)據(jù),出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警并實(shí)施保護(hù)。
皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦井下最重要的運(yùn)煤系統(tǒng),其正常運(yùn)行對(duì)煤礦生產(chǎn)有著直接的影響。如圖1 所示,綜采工作面開(kāi)采的煤炭首先通過(guò)刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)輸巷道皮帶,隨后經(jīng)順槽皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)輸上山皮帶,將煤炭?jī)?chǔ)存到采區(qū)煤倉(cāng),然后將煤炭轉(zhuǎn)到運(yùn)輸大巷主皮帶,經(jīng)多部皮帶運(yùn)輸,最終將煤炭輸送到礦井地面主煤倉(cāng)。
圖1:井下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)畫面
根據(jù)煤礦井下煤炭運(yùn)輸流程,本文將皮帶監(jiān)控系統(tǒng)分為三個(gè)層級(jí)。如圖2 所示,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控層,控制層、設(shè)備層組成。監(jiān)控層由上位機(jī)電腦、顯示器、報(bào)警設(shè)備組成。監(jiān)控層向上可以連接管理層,實(shí)現(xiàn)管理層對(duì)皮帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)管。上位機(jī)安裝力控組態(tài)軟件,實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的動(dòng)畫運(yùn)行和監(jiān)視功能。控制層由S7—200 SMART 及模擬量擴(kuò)展模塊組成。設(shè)備層由就地啟動(dòng)、停止按鈕,接觸器、電動(dòng)機(jī)、變頻器、各種傳感器等組成。上位機(jī)與PLC 通過(guò)以太網(wǎng)線連接,采用TCP/IP 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。PLC 與設(shè)備層采用模擬量和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行傳輸。
圖2:礦井皮帶運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)
監(jiān)控系統(tǒng)可接收各段皮帶的堆煤、煙霧、跑偏、縱撕、打滑、急停等傳感器信號(hào),對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制;皮帶輸送系統(tǒng)在自動(dòng)方式下按程序設(shè)定順序聯(lián)鎖控制,實(shí)現(xiàn)逆煤流啟動(dòng),順煤流停止;在維修狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)就地啟、停。每個(gè)點(diǎn)位動(dòng)作都可以在上位機(jī)組態(tài)畫面上明確顯示。
電氣系統(tǒng)由AC380V 電源、空氣開(kāi)關(guān)AC380V30A、交流接觸器、中間繼電器、電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源DC24V、S7-200SMART、各種傳感器、控制按鈕等組成,如圖3 所示。開(kāi)關(guān)電源直流24V,為各種傳感器、中間繼電器、灑水電磁閥等供電。PLC 共有14 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入接點(diǎn),分別接控制按鈕、堆煤、煙霧、速度、跑偏、縱撕、打滑、急停等反饋接點(diǎn)。PLC 有4 個(gè)模擬量輸入接點(diǎn),分別接電流變送器、電壓變送器、2 個(gè)變頻器頻率傳感器。PLC 輸出接點(diǎn)7 個(gè),控制6 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的中間繼電器線圈和灑水電磁閥。灑水電磁閥用于噴霧灑水降塵,皮帶各電機(jī)受各自接觸器的主觸點(diǎn)控制,接觸器的線圈由AC220V 供電,受中間繼電器接點(diǎn)控制。兩臺(tái)主皮帶電動(dòng)機(jī)由變頻器控制,實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制,變頻器接受PLC 的控制。
圖3:電氣系統(tǒng)原理圖
3.1.1 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)
如圖1 所示,為井下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)動(dòng)畫界面,上位機(jī)與PLC 通過(guò)以太網(wǎng)線連接,采用TCP/IP 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。組態(tài)畫面顯示各臺(tái)皮帶電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),各種保護(hù)報(bào)警指示燈的狀態(tài),電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電壓、電流數(shù)據(jù),變頻器輸出頻率等信息,可通過(guò)畫面上的總開(kāi)關(guān)實(shí)施皮帶系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止,也可實(shí)現(xiàn)皮帶系統(tǒng)自動(dòng)和手動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換。通過(guò)組態(tài)畫面的頁(yè)面轉(zhuǎn)換按鈕,可快速將畫面切換到報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)曲線等畫面。
3.1.2 定義外部設(shè)備及數(shù)據(jù)連接
上位機(jī)安裝“力控”軟件后,點(diǎn)擊“力控”圖標(biāo),新建工程項(xiàng)目并命名,點(diǎn)擊“開(kāi)發(fā)”圖標(biāo),在導(dǎo)航欄中雙擊“IO設(shè)備組態(tài)”,在彈出的窗口中點(diǎn)擊“PLC”前面的“+”,選擇“SIEMENS”,點(diǎn)擊前面的“+”,然后雙擊“S7-200”,在彈出的畫面中定義設(shè)備的名稱為“PLC”,設(shè)備的地址號(hào)為“2”。點(diǎn)擊“下一步”,選擇與 I/O 通訊的 COM 口為COM1,點(diǎn)擊“高級(jí)”,在彈出的畫面中設(shè)置通訊參數(shù),默認(rèn)即可。
3.1.3 端口通信參數(shù)設(shè)置
打開(kāi)S7-200 SMART 編程軟件,在端口通信參數(shù)里設(shè)置端口 0 的站號(hào)為“2”,通信波特率為9.6kbits,確認(rèn)后,把系統(tǒng)塊的信息下載到PLC。將編程軟件關(guān)閉,釋放 COM1 口,以免影響后續(xù)力控組態(tài)功能與PLC 的通訊。
3.1.4 定義數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)及數(shù)據(jù)連接
根據(jù)工程項(xiàng)目控制要求,本項(xiàng)目建立下列數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置如表1、表2 所示。在力控軟件中,設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)連接和保存。
表1:模擬量數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置
表2:開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置
3.2.1 井下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控流程
通過(guò) PLC 編程實(shí)現(xiàn)的皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)程序具備多個(gè)功能,包括初始化、程序檢測(cè)、頻率控制、傳輸控制、互聯(lián)協(xié)議通信、故障識(shí)別、模擬量與數(shù)字量處理等功能。如圖4所示,為井下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體的監(jiān)控流程:首先判斷是否發(fā)生遠(yuǎn)程故障,若發(fā)生遠(yuǎn)程故障則進(jìn)行就地操作,無(wú)遠(yuǎn)程故障則判斷設(shè)備是否發(fā)生故障,若有故障則進(jìn)行檢修,處理故障,無(wú)故障后則進(jìn)入控制模式選擇;控制模式自動(dòng)控制、手動(dòng)控制二種模式,分別對(duì)應(yīng)自動(dòng)、就地檢修操作。
圖4:井下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控流程圖
3.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計(jì)
依據(jù)圖4 所示的井下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控流程,編寫梯形圖控制程序,實(shí)現(xiàn)皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控。
皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)控制要求:逆煤流啟動(dòng),順煤流停止,各部皮帶間實(shí)施順序聯(lián)鎖控制。各部皮帶出現(xiàn)任何故障實(shí)施停車保護(hù)。監(jiān)控系統(tǒng)分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。
手動(dòng)控制為系統(tǒng)調(diào)試和檢修而設(shè)置。手動(dòng)控制時(shí),各部皮帶單獨(dú)控制。將上位機(jī)組態(tài)畫面中的總開(kāi)關(guān)置于開(kāi)的位置,手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位,現(xiàn)場(chǎng)按下相應(yīng)皮帶啟動(dòng)按鈕,啟動(dòng)相應(yīng)皮帶的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)(先后啟動(dòng)),上位機(jī)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并保存;檢修或調(diào)試后,現(xiàn)場(chǎng)按下相應(yīng)皮帶停止按鈕,兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)先后停止,數(shù)據(jù)通過(guò)PLC 上傳給監(jiān)控室的上位機(jī),記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并保存。
自動(dòng)控制為正常運(yùn)行的控制方式。自動(dòng)控制過(guò)程如下:將上位機(jī)組態(tài)畫面中的總開(kāi)關(guān)置于開(kāi)的位置,手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位,系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)程序運(yùn)行狀態(tài),若系統(tǒng)一切保護(hù)正常,系統(tǒng)啟動(dòng)1 號(hào)皮帶M1 電動(dòng)機(jī),同時(shí),打開(kāi)灑水電磁閥,皮帶系統(tǒng)沿線開(kāi)始噴霧降塵,2 秒后啟動(dòng)M2 電動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)1 號(hào)皮帶運(yùn)行,1 號(hào)皮帶電動(dòng)機(jī)由兩臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng);M2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,延時(shí)60 秒,系統(tǒng)啟動(dòng)2 號(hào)皮帶的M3 電動(dòng)機(jī),2 秒后啟動(dòng)M4 電動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)2 號(hào)皮帶運(yùn)行;M4 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后延時(shí)60 秒,系統(tǒng)啟動(dòng)M5 電動(dòng)機(jī),2 秒后啟動(dòng)M6 電動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)3 號(hào)皮帶運(yùn)行;M6 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后延時(shí)60 秒,系統(tǒng)啟動(dòng)M7 電動(dòng)機(jī),2 秒后啟動(dòng)M8 電動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)4 號(hào)皮帶運(yùn)行。至此,系統(tǒng)完成逆煤流啟動(dòng)控制。
皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),電流變送器采集電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流,將數(shù)據(jù)傳輸給PLC,PLC 上傳給監(jiān)控室的上位機(jī),記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并保存。通過(guò)顯示窗口,可顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線圖和歷史曲線圖。當(dāng)實(shí)測(cè)值達(dá)到報(bào)警條件,即電動(dòng)機(jī)電流超過(guò)額定電流的120%以上時(shí),過(guò)載保護(hù)報(bào)警啟動(dòng),同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),以提示相應(yīng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)載故障。同時(shí),系統(tǒng)程序根據(jù)過(guò)載程度啟動(dòng)延時(shí)保護(hù),當(dāng)延時(shí)時(shí)間達(dá)到時(shí),切斷相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電源,停止相應(yīng)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)之后的所有電動(dòng)機(jī)都將在聯(lián)鎖控制下停止工作,實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。該電動(dòng)機(jī)之前的電動(dòng)機(jī)不停機(jī),正常運(yùn)轉(zhuǎn)。報(bào)警后在報(bào)警顯示窗口,點(diǎn)擊確認(rèn),即可關(guān)閉報(bào)警聲光信號(hào)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)回路的電流達(dá)到額定電流的8 倍以上時(shí),系統(tǒng)程序執(zhí)行速斷保護(hù),立即切斷該供電回路的電源,相應(yīng)電動(dòng)機(jī)停止工作。該電動(dòng)機(jī)之后的所有電動(dòng)機(jī)都將在聯(lián)鎖控制下停止工作,實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。該電動(dòng)機(jī)之前的電動(dòng)機(jī)不停機(jī),正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),電壓變送器采集電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓,將數(shù)據(jù)傳輸給PLC,PLC 上傳給監(jiān)控室的上位機(jī),記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并保存。通過(guò)顯示窗口,可顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線圖和歷史曲線圖。當(dāng)實(shí)測(cè)值達(dá)到報(bào)警條件,即電動(dòng)機(jī)電壓低于額定電壓的75%以下時(shí),欠壓保護(hù)報(bào)警啟動(dòng),發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),以提示相應(yīng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)欠壓故障。同時(shí),系統(tǒng)程序切斷相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電源,停止相應(yīng)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)之后的所有電動(dòng)機(jī)都將在聯(lián)鎖控制下停止工作,實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。該電動(dòng)機(jī)之前的電動(dòng)機(jī)不停機(jī),正常運(yùn)轉(zhuǎn)。報(bào)警后在報(bào)警顯示窗口,點(diǎn)擊確認(rèn),即可關(guān)閉報(bào)警聲光信號(hào)。
皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)設(shè)置的各種傳感器,監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行,當(dāng)某段皮帶出現(xiàn)堆煤、煙霧、跑偏、縱撕、打滑等故障時(shí),傳感器將故障信息傳輸給PLC,PLC 上傳給監(jiān)控室的上位機(jī),上位機(jī)組態(tài)畫面顯示故障類型。同時(shí),控制程序?qū)⒃撈У碾妱?dòng)機(jī)停止,該電動(dòng)機(jī)之后的所有電動(dòng)機(jī)都將在聯(lián)鎖控制下停止工作,實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。該電動(dòng)機(jī)之前的電動(dòng)機(jī)不停機(jī),正常運(yùn)轉(zhuǎn)。皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),當(dāng)出現(xiàn)緊急危險(xiǎn)情況,現(xiàn)場(chǎng)人員將皮帶沿線任一急停開(kāi)關(guān)拉開(kāi),控制程序?qū)⒃撈У碾妱?dòng)機(jī)停止,該電動(dòng)機(jī)之后的所有電動(dòng)機(jī)都將在聯(lián)鎖控制下停止工作,實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。該電動(dòng)機(jī)之前的電動(dòng)機(jī)不停機(jī),正常運(yùn)轉(zhuǎn)。上位機(jī)組態(tài)畫面顯示緊急停止。
本項(xiàng)目基于PLC 和力控組態(tài)軟件,描述了煤礦井下皮帶運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和設(shè)計(jì)過(guò)程,可為從事煤礦井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)管理的工程技術(shù)人員提供參考。