1 引言

近几年来，地处山东省济宁市范围内的各煤矿相关单位在PLC应用于煤矿井下带式输送机智能控制方面进行了大量的研究和实践，并且取得了良好的现场使用效果，对国内同行具有相当的参考价值。

2 PLC智能控制井下带式输送机

兖州矿业（集团）公司兖州煤矿机械厂设计的微山崔庄煤矿带式输送机电控系统，PLC解决带式输送机自动控制及软启动等控制问题时起到重要作用，达到煤矿井下特殊环境条件下电控系统所要求的控制目的，对今后此类型带式输送机的安全使用具有良好的推广价值。

⑴系统控制要求

该矿带式输送机系统运输能力650t/h，带速3.15m/s，运距1156.5m，倾角13°～17°，配备3台1140V、250kW电动机，机头集中驱动，双滚筒3台电动机，采用YOTCS560调速型液力偶合器起动方式。PLC控制系统实现以下功能：通过控制调速型液力偶合器实现带式输送机软启动；实现3台电机功率平衡；可实时显示各种运行状态参数；实现故障自诊断，声光报警；实现手动、自动任意切换。

⑵系统硬件设计

由于煤矿井下环境的特殊性，选用该矿自主开发研制的BXWII-120/115矿用隔爆兼本质安全型微机控制箱为主控装置，结合外围开关设备、信号及保护传感器的检测，组成控制系统，对带式输送机的输煤过程进行严密的监视与控制。以微机箱为核心的电控系统是专门为煤矿井下设计的可编程监测控制系统，用于煤矿井下带式输送机及其它设备的电气控制、监测及综合保护。系统设计灵活，显示信息丰富，保护功能齐全，输入输出点数能扩展，可自诊断。现在已经广泛应用于煤矿主井上运大型带式输送机、下运大型带式输送机、集中运输带式输送机、顺槽带式输送机、掘进带式输送机、转载带式输送机等井下连续运输设备。他们根据控制功能及输入/输出点数的要求，选择三菱MELSEC-Q系列PLC为控制核心。这个系列的 PLC采用模块化结构，包括1个Q00JCPU模块、2个QX40型DC输入模块、2个QY40P型输出模块、1个Q68ADI模拟量扩展模块。其中，Q00JCPU是电源、基板、CPU一体化的模块；QY40P型输出模块为16点漏型晶体管输出模块，输出点通过控制中间继电器来控制各台设备的起停。此系统同时采用触摸屏和PC机作为人机对话界面。触摸屏选用三菱F940GOT彩色图示操作终端，可以一边观看画面对PLC软元件的监视及数据变化，一边进行显示。PLC与触摸屏之间采用RS-232C通讯接口，缺省数据传输速率19.2kbps。PLC与上位PC机之间同样采用RS-232C通讯接口。由于PLC为非安产品，偶合器限位开关与油压表、油温表为本安产品，需要配备转换与隔离电路。16路本安开关量信号（无电位接点）转换为非安无电位接点输出，再进入PLC输入端。如果不配备本安隔爆转换隔离电路，而将本安信号直接接入PLC输入端，就等于将非安信号串入本安回路，不符合《煤矿安全规程》的规定。通过配置隔离转换板完成信号隔离、转换与放大，使PLC控制距离大为延长，扩大了PLC输出时的容量。利用PLC通过隔离电路直接带动多控制的设备，减少设备之间的环节。另外，配置转换器与隔离板后，当外围设备出现故障，造成短路或串入高压时，不会直接损坏PLC，保证主机的安全。

⑶顺控程序设计

MELSEC-Q系列PLC顺控程序采用GX Developer软件编制。PLC起动后即执行此程序。首先执行内部初始化，然后对各设备及电动机电流信号等进行检测。整个顺控程序包括正常起车、正常运行、正常停车、紧急停车、故障保护、功率平衡6大部分，执行中可随时响应人机界面访问。PLC还可实现3台电动机的功率平衡。从3台电动机磁力启动器中的电流互感器输出端引出4～20mA电流信号，送入PLC的Q68ADI模拟量扩展模块，经模—数转换后，将4～20mA电流信号转换成数字信号。由于2台主电动机在同一个滚筒上，先比较它们的功率是否平衡。当2台电动机电流信号相差较大（超过规定范围）时，PLC进行调整。此时若胶带运行速度在正常范围，说明电流小的那台电动机做功小，PLC启动此液力偶合器的伺服电动机（点动）加载后，再对比2台电动机的电流值，直到它们的电流差在合理范围时停止；当2台电动机电流差值超出正常范围，胶带运行速度也超出正常速度，说明电流大的那台电动机做功大，PLC启动此液力偶合器的伺服电动机（点动）减载后，再对比它们的电流值，直到2台电动机的电流差在合理范围时停止。当同一个滚筒上的2台电动机功率平衡后，启动2台液力偶合器的伺服电动机同时转动，再以其中1台为基准，用同样的方法与第三台电动机比较，最终达到3台电动机功率平衡。

⑷体会

采用PLC控制煤矿井下带式输送机，实现自动控制保护。该矿经过多年的使用取得了良好的效果。采用PLC控制调速型液力偶合器实现带式输送机的软启动，减少了输送机在启动与停止时对强力胶带、电动机、液力偶合器、减速箱、驱动滚筒的冲击力，可以延长其使用寿命，也减轻启动时对井下电网的冲击，提高了供电可靠性及安全性。

3 井下下运带式输送机PLC智能控制系统

下运带式输送机由于物料 （煤炭）本身重力的下滑分力运送，更加节能，但由于控制系统没有很好地解决而限制了其应用范围。针对下运带式输送机存在的胶带打滑和电动机飞车等问题，兖州矿业（集团）公司东滩煤矿和山东科技大学研究出带式输送机在下运情况下的计算机智能控制系统，并利用抗干扰性能较好的三菱系列PLC作为微型控制器，对下运带式输送机计算机控制系统和PID进行控制，实现此系统在大屯煤电公司孔庄煤矿、山东里能里彦矿业有限公司、新汶矿业（集团）公司翟镇煤矿井下的安全运行。

⑴总体控制方案

①计算机控制器。这个智能控制器，可完成数据（速度）的采集与处理，实现各种控制算法，输出开关控制信号控制主电动机和给料系统的启停，输出模拟电压信号控制液压系统。

②液压系统。由液压电磁换向阀、油箱、电液比例阀等组成。通过控制电液比例阀的电压，实现控制其液压回路的压力，相当于1个二阶环节。

③盘式制动器。将液压力转换为几修制动力，相当于1个比例环节。在没有油压时制动器靠弹簧力产生制动力矩。

④电动机。应用负载来改变电动机转速。在通电状态下，电动机工作于同步转速或二象限内。此时的电动机转速与负载关系近似为线性比例环节。

⑤胶带。胶带很长并且张紧力足够时，可认为胶带在工作过程中是1个二阶振荡环节。

⑥测速系统装置。测量电动机和胶带速度，在计算机中进行等效比较，是2个比较环节。

⑵起车停车计算机控制

下运带式输送机工作在大倾角下运情况下容易出现以下情况：由于重力作用，物料会通过摩擦力带动胶带、滚筒、电动机转动，使电动机工作于二象限的发电制动状态。如果电动机送电不及时，物料使电动机转速大于其同步转速时则会烧坏电动机。停车时，如果在电动机工作于二象限时断电，电动机就会出现飞车。

计算机在起车时控制系统输出直流电压使液压系统工作，盘式制动器松闸。如果胶带上没有物料，则在延时一段时间后控制电动机送电，使主电动机转动，带动胶带运行并送料使系统工作；如果胶带上有物料则带动电动机转动。由于液压系统是1个二阶系统，液压力上升需要一段时间，盘式制动器缓慢松动，电动机在摩擦力作用下逐渐加速转动。当电动机转速达到1490rpm时给电动机送电，使电动机工作于电动状态并缓慢过渡到发电制动状态。这种控制方式使胶带启动运行比较平稳。在停车时，如果电动机工作于发电制动状态且转速大于1500rpm，则先停止给料系统使胶带速度及电动机转速缓慢减低，同时加入液压制动力，待电动机转速减少到1500rpm后断电。

⑶超速的计算机控制

在带式输送机的工作过程中，由于物料的不确定性，容易出现胶带拖动电动机转动而产生电动机转速超过临界转速的现象。如果物料过多，电动机工作于二象限，胶带下滑摩擦力大于电动机发电状态的制动力时，电动机转速超过临界点而出现飞车事故。为了安全运行，在电动机转速1580rpm左右时停止给料。由于胶带运输系统和液压制动系统是1个较大的惯性环节，因此电动机转速仍然有可能上升，此时必须采用可靠的制动控制。

⑷打滑状况的计算机控制

在带式输送机的工作过程中，由于胶带张紧力不够，致使胶带和滚筒之间的静摩擦状态不能保持。胶带速度大于电动机等效转速出现的打滑，其原因是胶带和滚筒的摩擦力不够，致使物料带动胶带沿滚筒滑动，控制的方法只能停止给料，使胶带的下滑力减少，逐渐恢复摩擦力，而不应当停车，电动机转速与胶带等效转速相同后故障消除。当胶带速度小于电动机等效转速出现的打滑，其原因是胶带与滚筒的摩擦力不够、电动机转速大于胶带的速度，致使胶带系统不能有效运送物料，这时应停止电动机来增加胶带张紧力，从而加大胶带与滚筒的摩擦力。他们采用了1个开关控制器。

4 井下大倾角下运带式输送机PLC智能电控

兖州矿业（集团）公司兖州煤矿机械厂将大倾角下运带式输送机PLC智能电控系统与机械系统、制动系统以及液压控制系统构成机电液一体化的带式输送机匀减速闭环控制系统，使带式输送机能够按照预定的停车减速度平稳地制动停车，完善可靠地解决了负倾角较大向下运输的控制问题。

⑴主要功能。

与机械系统、制动系统以及液压控制系统构成机电液一体化带式输送机匀减速闭环控制系统，使带式输送机能够按照预定的停车减速度平稳制动停车。电动机同步投入启动和同步切除停车控制；轻、重载两种情况下的起车判断；电动机超速保护和控制；输送带高、低速保护及控制；完成带式输送机打滑、跑偏、堆煤、闭锁、灭火洒水、烟雾、超温及纵撕保护等；运行状态及故障类别指示；自动和手动控制功能；可以支持多台主电动机和液压站工作。

⑵PLC电控系统。

在自动方式运行的时候，全部过程均由控制程序来完成；在手动方式运行的时候，各台设备的通电均由手动操作完成。此项成果以高可靠性的日本三菱FX2N系列PLC为控制核心。带式输送机预警起车，各种保护投入检测，PLC能够对各个输入口采集的信号进行判断和运算，发出控制指令，实现各台设备的自动控制。当出现故障的时候自动实施紧急停车，并且发出声光故障报警，待到故障排除之后方可以再次进行正常起车。完成带式输送机打滑、跑偏、堆料、闭锁、灭火洒水、烟雾、超温及纵撕保护等。下运带式输送机工作的时候，其带速和电动机速度是2个重要的物理参量，例如开车松闸之后的轻载与重载判断，电动机在同步速度值的投入和切除，3个超速值的设定，胶带高低速打滑以及加速度和二级制动控制等，均需要对电动机和胶带速度进行检测。在此项设计中，速度通过磁性传感器转换成频率与其成正比的电信号，由PLC高速计数端采集，进行数据运算和处理。除了安全规程规定的6项保护以外，他们还根据设备的特点，设置了闸皮磨损保护、盘形闸和捕带器不能有效松开的闭锁、给煤机闭锁控制保护等。各种保护信号进入PLC，根据故障性质判断急停和延时停车等。此项研究成果根据下运带式输送机倾角大、运行工况特殊的特点，以PLC为控制核心，较好地解决了速度信号的检测、速度与加速度控制和三级超速的制动控制等问题。

5 PLC智能控制井下多点驱动带式输送机

随着我国煤炭工业的不断发展和巷道开拓方式的不断创新，大倾角下运带式输送机是必不可少的。兖州矿业（集团）公司兖州煤矿机械厂为郑州煤业（集团）公司超化煤矿研制的多点驱动带式输送机智能电控系统，采用CC2Link开放式现场总线技术，实现了主皮带、子皮带之间的网络通讯，极大提高了整个系统的安全性和可靠性。这个系统维护量少,可靠性高,投资成本低于国内同类产品,具有较好的推广应用前景。

⑴系统控制要求及硬件设计

超化矿DTL-1000/3×160型带式输送机系统运输能力700t/h，皮带巷最大倾角17°。输送机采用西北煤机二厂配套生产的GRBⅢ-1140/300型电软启动装置，驱动采用机头双机、中间单机多点驱动方式来满足驱动功率的要求。主皮带配备2台1140/660V、160kW电动机; 子皮带配备1台1140/660V、160kW电动机。电控系统配有主机控制站和子机控制站,两者相距500m。根据电气控制技术的发展现状,选用三菱FX2N系列CC-Link开放式现场总线,实现主机、副机在启动、运行、停机及各种保护信号之间的网络通讯。FX2N系列CC-Link开放式现场总线实现以下功能:带式输送机启动时, PLC电控系统进行自检；系统正常后,只能先启动机头主机电动机、后延时启动副机电动机的顺序方式来完成；停机时可在机头中间任意完成，并且副皮带各种保护状态能在主皮带上显示。

CC-Link(Control &Communication-Link)系统通过专用电缆将分散的I/O模块、特殊高功能模块等连接起来，并由PLC的CPU来控制所相应模块的系统。通过将每个模块分散到生产线和机械设备中去，整个系统配线省；通过使用处理类似I/O或数字数据的ON/OFF数据模块,能够实现高速通信。CC-Link主站模块FX2N-16CCL-M是特殊扩展模块,它将FX系列PLC分配作为CC-Link系统中的主站,通过使用CC-Link接口模块FX2N-32CCL将另外一个FX系列PLC作为远程设备站（从站）进行连接,形成1个简单的分散系统。主站是控制数据链接系统的站,从站是处理包括位信息和字信息的远程站。主站的设定:站号设定为0,模式设定为0 (在线) ,传输速度设定为0(156kbps) ,条件设定开关SW1～SW8均为OFF。从站的设定:站号设定为1,传输速度设定为0(156kbps) ,占用站数设定为1。其中传输速度是根据现场传输距离（实际传输距离为500m）的要求设定。FX2N-16CCL-M与FX2N-32CCL之间的连接电缆采用专用高性能CC-Link电缆,2个模块的DA、DB端子之间需加330Ω终端电阻。

⑵控制系统软件设计

系统采用FXGP-WIN-C软件,以PLC实时监测各设备的运行状态。整个系统由多个程序模块组成，其中2个主要模块的设计如下:

①系统主循环程序模块。PLC启动后即执行该模块,对主电动机、制动器、保护等进行实时检测。当主电动机开关、制动器开关返回接点闭合时,通过光耦向内部送入1个低电平信号(“0”信号) ；接点断开时,向内部送入1个高电平信号(“1”信号) , PLC根据高、低电平信号和编程设置，判别设备的运行状态及是否有故障发生。

②通讯程序模块。主站信号（例如初始请求和出错标志位）使用远程输入（RX）和远程输出（RY）与从站进行通信，设定的数据和其它数据与从站之间的通信是通过远程寄存器(RWw和RWr)实现。远程输入(RX)、远程输出(RY)、远程寄存器(RWw和RWr)被分配到FX2N-16CCL-M中的缓冲存储器(BFM)中,实现在主站模块和PLC之间进行数据交换, PLC则是使用FROM/TO指令来进行读写的。a.远程输入。从站的远程输入(RX)会自动保存到主站缓冲存储器的“远程输入(RX)”中去；PLC通过使用FROM指令来接收保存在缓冲存储器“远程输入(RX)”中的输入状态。b.远程输出。PLC通过使用TO指令将从站输出到缓冲存储器远程输出(RY)的ON/OFF信息进行写入；从站中远程输出(RY)根据被保存在缓冲存储器远程输出(RY)中的输出状态自动设定ON或OFF。c.向远程寄存器写入(RWw)。PLC通过使用TO指令将传送的数据写入到缓冲存储器“远程寄存器(RWw) ”中去；保存在缓冲存储器“远程寄存器(RWw) ”中的数据自动地被传送给从站中的“远程寄存器(RWw) ”中去。d.从远程寄存器读取(RWr)。从站中RWr的数据自动保存到主站的缓冲存储器“远程寄存器(RWr) ”中；PLC 通过使用FROM 指令来接收从站中RWr的数据,这些数据保存在缓冲存储器“远程寄存器(RWr) ”中。

6  井下带式输送机的地面PLC智能集控系统

位于济宁市微山县的枣庄矿业（集团）公司高庄煤矿井下运行的带式输送机各个机头仍需岗位人员现场操作，无胶带故障监测、记录，上级调度不能及时了解和监控胶带运输系统运行状况，不便管理及进行事故的分析、处理等。为此，他们设计了主煤流带式输送机智能集中控制系统，可实现在地面监控井下带式输送机运输情况，以保证系统的安全运转和减少故障。新系统在运行中稳定可靠，环境适应能力强；撤消了岗位工，操作人员在远离现场的地面集控中心操作，改善劳动环境，提高带式输送机系统的管理及控制能力，取得良好的效果。

⑴硬件组成

主要由地面集中控制中心、井下主站、若干井下控制分站和生产环境可视系统构成。地面集控中心主要由通信站、计算机、液晶显示器等设备构成，实现对带式输送机的实时可视监控及管理。井下对带式输送机的电动机和给煤机进行控制，即在每部带式输送机设置1台井下控制分站,井下控制分站主要由矿用PLC控制箱、皮带综合保护传感器和本安操作台组成，实现对现场设备的直接控制，同时完成设备运行状态及各种保护信号的采集与传输。井下主站负责井下分站的数据组织，并完成与地面控制中心计算机的通讯。井下主站主要起协调作用，增强井下分站及上位计算机的控制功能。他们采用现场总线将井下各个PLC控制分站与地面集中控制中心进行联网。分站之间的网络信号传输介质采用屏蔽双绞线，主站和地面集控中心之间采用光缆。

根据该矿的实际煤流胶带运输情况，他们在井下共设置5个控制分站和1个主站。地面集控中心与矿局域网连接，将带式输送机的工作状况在网上发布，使联网的调度及有权限的计算机可以随时查看系统运行情况。

⑵软件结构

采用面向对象的DELPHI语言编写。软件功能主要是与井下PLC进行通讯，显示并记录每部带式输送机的状态信息，向PLC发送命令，控制带式输送机系统的运行。在监控主画面的屏幕上共有5部带式输送机，以动画区分正常、运行、通讯错误、报警等状态，各自所代表的颜色由程序员自行配置。现行状态是给煤机绿色人表示运行，黑色表示停止；6个煤仓有正常、满仓2种状态，各自所代表的颜色由操作员配置。

⑶系统功能

①控制功能。系统采用分布式控制，实现机组的自动、可靠开停功能，能够相互独立地在地面集中控制室和井下分站以集中自动控制、集中手动控制和现场控制等方式控制带式输送机开停。每个时刻只有1种控制方式有效，保证系统运行可靠。井下PLC性能稳定、运行可靠，利用上位计算机软件编程的灵活性，将实时数据用丰富的图象、表格、模拟图显示，对系统运行故障进行在线监测及诊断，及时记录相关信息以备查找与处理。

②监测及显示功能。通过工业总线网络汇总井下各部带式输送机运行状态，并进行现场数据处理，显示井下各部带式输送机和给煤机的开停和保护信号等各种数据及工作状态。设有各部带式输送机的故障信号显示，并且伴有声光报警，提示值班人员采取有关措施。

③数据库管理功能。对各类使用人员设置不同的权限，操作前必须登陆系统，确认为合法用户后才能进行相应的控制操作；报表自动记录系统运行日志、报警事件、操作事件、各部带式输送机累计运行时间、起停时间等；实现各类报表的打印。

⑷系统特点

①程序通用、系统灵活。井下沿线各部带式输送机之间具有复杂的闭锁关系，采用保持所有控制分站PLC基本程序完全相同的方案，对一些可变参数集中配置，以增强程序的通用性及系统的灵活性。此外，系统还具有逆煤流、顺煤流等多种控制方式；既可单台控制又可成组控制，既可按既定工艺流程控制又可对井下控制分站PLC参数进行在线配置，形成新的工艺控制流程。

②安全可靠。所有井下设备均符合《煤矿安全规程》规定，地面集控中心的计算机采用双机热备配置，故障自动切换，确保系统可靠控制。

③可扩展。系统预留接口，以利于功能扩展。

7  PLC智能控制变频器实现井下带式输送机动态调速

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿和中国矿业大学以井下带式输送机所使用的AB PLC控制器及ZJT型1140V矿用智能变频调速装置为研究对象，利用PLC对变频器的输出频率进行智能调节，实现带式输送机动态调速。

⑴原先状况

济宁三号煤矿井下主煤流运输主要是由7条带式输送机运输系统组成。其中，北胶一部带式输送机共有4个驱动单元，每台电动机功率315kW、额定电压1140V，一直采用电动机+耦合器的方式驱动。ZJT型1140V矿用隔爆兼本质安全型智能变频器自从投入使用以来，效果非常理想。虽然变频器的能量转换比高、基本没有损耗，相对于耦合器是非常节能的，但变频器的优点“变频”这个功能并没有真正发挥出来。带式输送机空载时并不一定需要维持全速运转；当工作面不采煤时，带式输送机只运输掘进开采的煤矸，运载量非常小，有时连续长时间空载运行，造成大量的电力浪费。该矿北部带式输送机的控制系统采用Rockwell公司1756-L55M12型PLC，并通过1756-CNBR（控制网通信模块）并入ControlNet环网来实现与地面调度系统的全面信息化连接。考虑到1756系列控制器的可扩展性，他们通过加装模块来控制变频器的输出频率，进而实现变频器的动态变频。

⑵变频器的调节

为了控制变频器的频率，需要由控制器给它提供1个4～20mA电流信号。他们在本地控制器机架添加1个1756-OF4模拟量输出模块，并在程序中对此模块进行设置，使其输出的信号为电流信号，4～20mA对应0～50Hz。在变频器上进行设置，将“给定速度”方式改为“Analog lnput模拟量输入”，并且对输入精度进行调节，然后利用屏蔽双绞线将PLC中的模块与变频器连接起来，即可以在线进行校准。为了防止变频器对传输信号造成干扰，所接的双绞线一定要做好接地。

⑶带式输送机动态调速

给变频器固定轻载模式和重载模式2种频率。通过ControlNet通讯读取北部带式输送机前一级带式输送机的电动机电流大小。北二带式输送机的3台电动机电流为50～80A不等。设计的流程是北二带式输送机的电动机电流满足50A＜I＜60A持续2min时，认为北部带式输送机将处于轻载状态，此时将电动机频率调至25Hz，北部带式输送机以2.4m/s速度运行；当北二带式输送机的电动机电流满足I＞60A持续5min时（北二带式输送机运转周期为6.25min），认为北部带式输送机将处于重载状态，此时由PLC控制模拟量输出模块调整变频器的频率，以1Hz/s的速度增大到50Hz，北部带式输送机以4.8m/s速度运行。

经过上述步骤试运行一段时间后，即可对带式输送机进行动态功率平衡改造。变频器应用于带式输送机，如果采用电动机直连减速箱的硬连接方式，则各台电动机的频率值不可能完全相等。要做到带式输送机各台电动机的动态功率平衡，必须要通过监测带式输送机各台电动机的电流信号来实现。他们首先设定1个主驱电动机，其余各驱动电动机以主驱电动机为参照物，电动机电流的平衡点向主驱电动机靠近。遇到运煤量发生变化的时候，首先考虑调节主驱电动机的频率。主驱电动机频率变化后，其余电动机的电流必定不相等，因此再调节这些电动机的频率，使它们与主驱电动机的电流尽量接近，最终实现动态变频。

8  结束语

带式输送机因为节能、管理方便而在煤矿井下得到普遍采用。随着采掘技术的发展，煤矿井下带式输送机的使用范围大为增加，不但运输量大，而且运输距离长，其安全性、稳定性、经济性也十分重要，要求选用的控制系统功能强大、运行稳定、灵敏、可靠。PLC以其结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易编程、维护方便等特点，保证了整个系统的稳定运行。

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