烟台西门子授权一级代理商电源供应商

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1  引言 

在物料运输装备工程领域，胶带机不仅具有长距离、大运量、高速度及连续运输的特点。而且运行，维护简单，易于实现自动化和集中控制，经济效益显著。胶带机的运行维护费用远其他类型的运输设备；能耗少，只有刮板运输机的1/2～1/3。所以，在工业的生产过程中，凡是能使用胶带机的场合，都考虑胶带机来运送物料。与其他运输设备相比，胶带机具有以下优点：运送物料种类广泛。它不仅可以用来运送散装物料，而且可以运送块状物料及成件物料；输送能力范围广。输送带的宽度可以有200mm至5m，甚至大，每小时输送能力可以由几吨到几万吨；输送倾角大。正常的胶带机可以输送-15°~20°的角度，而使用特种结构的输送带，输送角可达90°；运行阻力小，能耗小，运行；卸料灵活，可以实现多点卸料；性好，性高。 

2  系统设计 

本设计系统为长度为1km，由3台电机驱动的煤矿胶带机的PLC监控系统。通过传感器对电动机的电流、电机定子的温度、电网电压、胶带运行时状态的监测。胶带机监测的对象有：胶带跑偏、堆煤、烟雾、温洒水、速度（打滑）、温、纵撕等。 

根据现场实际情况，采用的系统结构模式。利用光纤、电缆组成混合现场总线，实现对原煤系统集中监控。集中控制系统主要由控制单元 、远距离通讯传输系统 、工业电视单元、控制四部分组成。 

控制单元设计采用德国西门子公司生产的S7系列产品，因其产品运行速度高、功能强、工作稳定。控制设置在皮带调度指挥控制，通过工作站和工业电视对胶带机及相关设施进行集中控制和监视。上位机采用InTouch组态软件，可以与多种自动化设备及控制软件集成，可形成需要的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。自动控制模式：所有操作均应能通过主控室上位机软件操作实现各个设备之间按工艺的要求在PLC控制下自动联不锁运行；手动控制模式：分为联锁手动和解锁手动；联锁手动在上位机上进行操作，对已选择好流程的设备按联锁方式逆煤流一对一的启动设备，按顺煤流一不对一停机；解锁手动也在上位机上进行操作，此时无任何联锁关系，可启停任何设备；就地控制模式：在就地按钮箱上操作，控制室对设备不起控制作用。 

3  监控系统的硬件设计 

在监控系统中，通过电压互感器和电流变送器。对三台电机进行了短路、过载、缺相保护。 

3.1电网电压监测 

本设计选用JDZX6-35W2型干式户外电压互感器对电网进行监测，该电压互感器为环氧树脂浇注绝缘、干型、户外型产品，适用于交流50Hz、35KV及以下的电力系统中，做电压、电能测量及继电保护用。通过电压互感器可以检测到是否缺相。 

3.2电机电流监测 

（1）交流电流变送器：电流变送器是可以将交流电流信号隔离转变成能够直接被PLC、一、二次仪表等各种装置直接采集和接受的标准工业电流信号的装置。两线制供电，能为过程控制中需要进行电量测控的场合提供解决方案。在工业控制领域具有稳定，抗干扰能力强的优势。本设计选择了TP1A500C420L，功能是原边电流500A 的电流变送器/ 输出4-20mA/P1 型壳/两线制供电。如图1所示。 

图1  PLC与电流变送器的连接 

（2）电流互感器：设计选用LMZ-1KV矿用电流互感器为母线式、浇注绝缘、户内型产品，适用于额定电压1KV及以下矿用线路中，作电流测量及继电保护作用。它的额定一次电流可以从50～400A，额定二次电流有1A或。根据煤矿胶带机的具体额定值选择。通过电流互感器和电流变送器对电流的检测，可以对三台电机进行短路、过载保护。 

3.3温度监测 

温度监测包括电机定子绕组温度和电机轴温度，选用GWP200（D）矿用本安型温度传感器对其进行监测。 

3.4胶带机的保护及传感器选型 

系统通过以下方式实现保护功能：在胶带机上的给煤点均设置堆煤保护和纵向撕裂保护，以防止胶带机事故的扩大化。系统设置3对跑偏开关，用于故障报警和停车；胶带输送机设11个拉线开关，用于紧急情况下的停车，急停拉线开关的安装间距均按100米进行配置，以保证设备和人身；在胶带机头设置堆煤传感器，防止堆煤事故发生；在胶带机设置胶带速度传感器，以速及打滑事故发生；在胶带巷道设置烟雾传感器，以检测胶带巷道的烟雾浓度防止火灾事故发生；在胶带机的主滚筒设置温度传感器，随时检测滚筒的温度。并配备自动撒水装置，在滚筒温时实现自动撒水并对主滚筒进行降温。 

（1）急停保护：拉线急停及其他故障保护：为防止紧急情况发生，每隔100米，设一处拉绳式急停开关用于人工紧急停止胶带机，开关动作时停止胶带机并报警。本设计采用KBJ-380/5型隔爆矿用急停开关，适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸性气体环境中、作胶带输送机沿线停机保护。 

（2）跑偏保护：带式输送机的胶带跑偏的原因很多，主要表现为：头轮和尾轮不平行；头轮和尾轮虽然平行但是不同心，即头轮点和尾轮点的连线不和头尾轮的轴线垂直；头轮和尾轮本身的质量问题，使得他们的同轴度和径向圆跳动精度要求不够；胶带机中部的托辊小于包括调心托辊、平托辊、槽形托辊等大于安装精度和制造精度误差；料下落点偏离胶带，造成料堆积于胶带的一侧也是造成胶带机胶带跑偏的重要原因；胶带本身的质量问题，例如胶接胶带时胶接口不与胶带两边平行等。 

设计针对防止跑偏保护采用的措施是限位开关。共设置了3对限位开关，将限位装置安装在带式输送机机架两侧的钢槽上。成对安装时，座架端一角铁横放用螺栓与座架连接，以增加钢性。其在机架上的间隔距离，可根据胶带跑偏量而定。当胶带跑偏而碰到限位开关，使限位开关闭合。对PLC内部输入一个开关量，从而实现了跑偏控制保护。 

（3）烟雾保护：烟雾传感器用于煤矿井下胶带输送机的胶带因磨擦发热或其它原因产生烟雾时，进行检测和保护。本设计所选择的烟雾传感器功能及技术指标如下： 

防爆型式：矿用本质型，“ExibI”；外壳防护等级IP54。 

工作电压：DC12V～DC24V；工作电流：≤10mA（DC）；动作电流：30mA。 

传感器预热时间：≤5min；恢复时间：5s。 

输出信号：继电器无电位接点输出。有烟雾故障时，继电器吸合，接点K1点闭合；K2点断开。 

接点容量：AC220V/1A；DC28V/3A。（煤矿井下用于本安回路）。 

出线嘴：1只。电缆大外径：Ф9mm。 

外形尺寸及重量外形尺寸（长×宽×高）：128×115×61（mm）；重量：2.0kg。 

（4）打滑保护：速度传感器用作胶带机速度及低速打滑，断带及速保护。 本设计所选择的速度传感器功能及技术指标如下： 

防爆型式：矿用本质型，“ ExibI”；外壳防护等级：IP54。 

测速范围广，低速性能好，抗干扰能力强。 

输入电压：DC12V；输入功率：≤0.42VA。 

输出信号：0～650Hz频率信号输出。（可扩1040Hz）。 

测速范围：0～5 m/s。（可扩8m/s）。 

测量误差：5%（相对于满量程）。 

出线嘴：1只。允许引入电缆外径：Ф8.5～Ф12.5mm。 

外形尺寸及重量（长×宽×高）：195×200×220（mm）；重量：6kg。 

（5）撕裂保护：用作胶带机纵向撕裂检测和保护。本设计所选择的撕裂传感器功能及技术指标如下： 

防爆型式：矿用本质型，“ExibI”；外壳防护等级：IP54。 

传感器在124mm×124mm面积上接受重量为500g±100 g的物料时，输出阻值应≤200Ω。 

传感器上无负荷时，输出阻值应≥100KΩ。 

当传感器输出电阻≤200Ω时，装置用主机动作，输出纵向撕裂急停车信号。 

外形尺寸及重量 外形尺寸（长×宽×高）：1050×300×47（mm）；重量：15kg。 

（6）堆煤保护：堆煤传感器用作胶带输送机机头堆煤，溜槽堵塞及煤仓满仓检测和保护。本设计所选择的堆煤传感器功能及技术指标如下： 

防爆型式：矿用本质型，“ExibI”；外壳防护等级：IP54。 

触点动作时探杆摆动角度：不小于25°。 

探杆摆动角度：任意方向（360°）。 

复位时间：瞬间复位。 

信号输出：无电位接点，容量：AC220V/（煤矿井下使用时，与本安电路连接）。 

出线嘴：1只。引入电缆外径：Ф6～Ф12mm。 

外形尺寸及重量外形尺寸（长×宽×高）：120×120×300（mm）；重量：2.8kg。 

（7）温保护：GWP200（D）矿用本安型温度传感器用于对煤矿井下胶带输送机的减速器高速轴、电动机外壳、传动滚筒轴承座表面等处的温度进行检测和保护。设计用温度传感器对电机轴温和定子绕组温度进行检测，而且温时还需要带有自动洒水保护装置。本设计所选择的温度传感器功能及技术指标如下： 

防爆型式：矿用本质型，“ExibI”；外壳防护等级：IP54。 

具有温度数字显示。 

工作电压：DC12V～DC24V；工作电流：15mA。 

测量范围：0～200℃。 

输出信号：继电器无电位接点输出，容量：AC220V/1A（煤矿井下用于本安回路）。 

出线嘴：1只。电缆大外径：Ф11mm。 

外形尺寸及重量 外形尺寸（长×宽×高）：96×40×40（mm）；重量：0.6kg。  

3.5硬件结构 

SIMATIC S7-300系列PLC是采用模块化无风扇结构设计，各种单模块之间可进行广泛组合和扩展。系统构成如附表所示。主要组成部分电源模块(PS)、处理单元(CPU)模块、信号模块(SM)、通信模块（CP）等。 

附表 S7-300硬件结构图 

4  监控系统的软件设计 

系统对三台电机进行了过载、短路、缺相保护。过载选用了过载继电器实现保护，短路选择了熔断器实现保护，缺相选择了缺相继电器实现保护。采用了电流互感器进行对电流监测，电压互感器进行对电压监测。温度传感器对温度进行监测实现对电机保护。 

当启动胶带机时，系统运行开机预警。提醒施工人员胶带机将要启动。如果有正在施工的人员他们可以到每一百米有一个拉线急停的开关，拉线开关动作以后，启动人员知道胶带机有施工人员，只有施工完成才能启动。相反的话，启动人员将继续下一步选择集中\就地控制。系统采用了3对限位开关来限制胶带跑偏实现胶带跑偏保护，所以当胶带跑偏时，限位开关的状态会随之改变对PLC内部产生了一个开关量使其切断电源，实现保护。当胶带在停止状态下启动时，如果胶带在跑偏的状态下也是不能启动的。 

系统采用了堆煤传感器，该传感器安装于检测区域上方，直吊挂，当物料触及传感器探杆时，使探杆轴偏转，当探杆偏转到一定程度时，其内部一组行程开关动作，发出物料信号使胶带机停机，实现保护。当胶带在停止状态下启动时，如果堆煤传感器测得的是堆煤信号的话，胶带机不能启动。 

系统采用了烟雾传感器对胶带机温度高或者打滑时间过长造成的烟雾进行保护，同时温洒水电磁阀动作，实现了温保护。 

撕裂传感器适用于煤矿中含有粉尘及爆炸性气体场合，它的工作过程是当胶带撕裂时，有煤落在传感器上面，此时传感器内部线路接通，使胶带停车，图2、图3分别为系统启动工作流程图和故障监测流程图。 

5  主程序段编程设计 

图2 胶带机系统启动工作流程 

图3 故障监测流程图 

5.1开机预警 

按下启动按钮后，T1定时器开始计时并保持为1状态。T1的辅助常开闭合，常闭断开。输出信号在30s的时间长度内保持为1，无论输入信号保持1多长时间。定时30s完毕后，T1的辅助常开断开，常闭闭合。实现开机预警功能。如果预警没有问题的话，可以正常启动胶带机了。当T1恢复时，常闭闭合，并且三台电机电源正常，才可以驱动启动电磁阀，如图4所示。 

图4 开机预警程序段 

5.2运行返回 

利用启动电磁阀的辅助常开触点驱动定时器T2，只有在45s的时间已过时，输出信号才从0变为1，无论输入信号保持1多长时间，T2总是保持带点状态。正是利用了这个功能，如果45s后运行返回成功的话，将T2复位。运行返回标志不带电；如果45s后运行返回仍然没有返回，即T2不被复位，则T2辅助常开驱动M0.0，表示运行返回失败，如图5所示。 

图5 运行返回检测程序段 

5.3胶带打滑 

打滑保护：胶带机启动2分钟后，开始监测胶带机速度。当速度传感器到胶带机速度2m/s时，停止胶带机运行并且报警，如图6所示。 

图6 打滑保护程序段 

5.4洒水 

当皮带机打滑或者烟雾故障时，复位Q16.0即停止运行皮带机，并且洒水2分钟，如图7所示。 

5.6故障诊断与急停保护 

将故障标志都并联到一起，只要有一个故障就能驱动启动电磁阀复位，即实现了故障保护。急停保护：设置了11个拉线开关，只要有个拉线就驱动M1.7急停标志。急停标志再驱动启动电磁阀复位。 

6  结束语 

图7 打滑、温洒水程序段 

设计的监控系统具有集中和就地两种运行方式。正常工作时都是在集中状态下运行。系统设计了各种保护电路。当PLC出现程序紊乱或者其他PLC故障时，可以手动控制胶带运输机，从而减少了损失。在胶带输送机保护系统的实际使用中，系统功能具有保护实时性好，性高，数据处理速度快等优点。而且相对于传统的控制方式，PLC保护系统无论在速度还是在性上都有优势，对于提高生产效率和经济效益起到了重要作用。 

磨机入口O2含量>=12%。 

（7）煤气快开阀切断 

炉膛内火焰熄灭时； 

高炉煤气压力<=2.5kPa。 

2.2煤粉喷吹系统自动化 

喷煤系统主要包括制粉、收粉和喷吹几个系统。本规格书主要包括收粉系统中的煤粉仓及喷吹系统。 

2.2.1工艺检测项目 

（1）煤粉仓 

●温度检测：正常值在50~80℃范围内，上限报警，提示有关人员注意。上上限报警，此时警示有关人员打开灭火氮气阀向煤粉仓内充氮气，并联锁停布袋，同时关闭所有卸粉阀，喷吹罐停喷。下限报警值：45℃。 

●CO浓度检测：正常值在0~200ppm范围内，上限报警值300ppm，提示有关人员注意。上上限报警值：500ppm， 此时警示有关人员打开灭火氮气阀向煤粉仓内充氮气，并联锁停布袋，同时关闭所有卸粉阀，喷吹罐停喷。 

●O2浓度检测：正常值在5%~10%范围内，上限报警值10%，提示有关人员注意。上上限报警，此时警示有关人员打开灭火氮气阀向煤粉仓内充氮气，并联锁停布袋，同时关闭所有卸粉阀，喷吹罐停喷。 

●称重系统：正常值在0~80t范围内，上限报警值80t，自动联锁给煤机。上上限报警值90t， 此时自动关闭给煤机，布袋收粉器停止下料。 

●料位检测：正常值在0~7m范围内，并作上下限报警。 

●压力检测：正常值在0~0.2MPa范围内，上限报警值0.25Mpa。 

（2）喷吹罐：温度检测：正常值在50~80℃范围内，上限报警值85℃，提示有关人员注意。上上限报警值：90℃，此时警示有关人员手动打开充压阀向喷吹罐内充氮气，并停机。下限报警值：75℃。 

●压力检测：正常值在0~0.7MPa范围内，上限报警，此时警示有关人员手动打开紧急放散阀进行紧急放散。 

●称重系统：正常值在0~10t范围内。 

●吹喷速率：通过计算得出喷吹速率。 

2.2.2主要调节控制要求  

（1）氮气源管路氮气温度调节：根据工艺要求，氮气温度稳定在50℃； 

（2）压缩空气总管温度调节：根据工艺要求，压缩空气温度稳定在50℃； 

（3）煤粉仓流化管氮气流量调节：根据工艺要求，流化氮气流量应稳定在一个定值； 

（4）煤粉仓灭火氮气压力调节：根据工艺要求，灭火氮气压力应稳定在一个定值； 

（5）喷吹罐流化氮气流量调节：根据工艺要求，流化氮气流量应稳定在一个定值； 

（7）喷吹罐二次风补气调节：根据工艺要求，压缩空气流量应稳定在600m3/h； 

（8）喷吹罐补压调节：根据工艺要求，喷吹罐压力应稳定在一个定值； 

（9）喷吹罐排压调节：根据工艺要求，喷吹罐压力与布袋入口压力之差应稳定在一个定值。 

2.2.3监控系统主要显示画面 

  （1）煤粉喷吹工艺流程画面—主要工艺参数显示报警与当前工艺状态（见图5）。 

图5 煤粉喷吹工艺流程画面 

（2）实时和历史趋势显示画面。 

（3）故障报警显示画面（包括实时报警和故障报警显示画面）。 

（4）、温度、补压、排压调节画面（见图6）。

图6 、温度、补压、排压调节画面 

（5）数据记录画面（见图7）。

图7 数据记录画面 

2.2.4电控部分连锁 

喷吹工艺为并罐喷吹工艺，即每座高炉进行喷煤操作时，由两个喷吹罐组成一个喷吹罐组交替向高炉喷煤。 

（1）煤粉仓 

检测设有温度，氧浓度，浓度，上述检测项目在系统中设有临界报警值，当系统发出上限报警信号时，可由操作人员采取相应措施，当发生上限报警时，可接通灭火氮气管路进行紧急处理，同时可自动或手动停止喷吹（由现场人员定）， 煤粉仓还设有料位指示及煤粉称重，煤粉仓的累积称重可以显示累积制粉量，也可用于仓内料位的上下限，报警，以便于平衡制粉和喷吹系统的物料平衡。煤粉仓下锥部设有流化床，对仓内煤粉连续进行流化。煤粉仓下面接有树叉状分料管，连有四个支管，每个支管上设有上、下卸粉阀，控制向四个喷吹罐给料。 

（2）并联罐喷吹主体系统 

喷吹罐为一压力容器，上面接有充压管路，补压管路，出口管路，流化管路，及放散和紧急放散管路，在开始喷吹操作时，需要关闭放散阀和紧急放散阀，出料口阀门，打开充压阀和流化阀门对喷吹罐进行一次充压，然后开启补压调节阀门调节罐内压力达到稳定的工作压力，在喷吹过程中，可通过调节阀门与罐内压力的连锁控制保证喷吹过程压力的稳定。喷吹量的调节可通过调节罐压和二次风量的方式实现。 

喷吹罐的检测有温度和压力检测：在温度上上限报警时，如果当前喷吹罐没有进行喷吹操作，可打开充压阀门进行罐内气体的惰化操作，如果喷吹罐内压力为高压可启动喷吹系统暂时停机程序。 

喷吹罐在放散过程中需通过调节阀控制放散气量，使布袋入口管道压力不能波动过大，以免影响制粉系统。可使调节阀与布袋入口压力连锁控制。 

喷吹罐出口管路上安装有二次补气器，用于引入喷吹用压缩空气，压缩空气管路调节阀通过调节二次风量达到调节喷吹量的目的，也可在系统中预先设定阀门开度，使系统根据预先设定的喷煤量进行喷吹操作。喷吹量的调节可通过调节罐压和二次风量的方式实现。 

煤粉分配器入口前有压力检测点，此处压力与高炉热风压力进行连锁比较，当小于设定值时，可将各支管三通球阀自动切换到吹冷风状态，同时喷吹系统自动停机。煤粉分配器入口前还接有氮气反吹管道，当输粉管路堵塞时，可将管中煤粉反吹到煤粉仓内。各支管在风口设备前也接入反吹氮气管道。 

（3）喷吹系统控制过程 

喷吹系统的电力控制主要包括“倒罐”控制、“喷吹”控制等。 

●倒罐操作（以A系列罐为例说明）：当工作罐(A1)中的煤粉量达到设定的下限值(现场根据经验确定)时，A2罐进行充压，煤粉流化，等待喷吹等操作，当A1罐中的煤粉喷吹完毕时并且A2满足喷吹条件时， A2罐开始进行喷煤操作，A1罐停止喷吹， 然后A1罐进行装煤粉的准备操作, 如此两个喷吹罐进行循环交替喷吹。喷吹罐中的煤粉量设有上限报警值，当达到设定上限值时，煤粉仓停止对喷吹罐给料。 

●喷吹过程的控制及连锁：喷煤工艺为并罐喷吹工艺，两罐交替喷吹，喷吹控制分为自动控制和手动控制两种方式，设有两种控制方式的转换开关，自动控制在启动喷吹程序后，由系统自动控制装料，倒罐，喷吹等操作。手动控制需人工通过控制单体阀门完成这些操作。在自动控制方式进行过程中， 可由操作人员中断正在进行的程序，转到手动控制方式进行操作，待操作完成后，可重新切换回到主程序，继续执行自动控制方式。各种控制程序，在顺序执行时，在遇到故障不能执行时报警提示故障原因。 

●事故停机：手动控制，在正常生产中，如喷吹罐监测项目（温度，压力）发出上限报警，手动启动紧急停喷程序。如果是煤粉仓或布袋收粉器监测项目（温度、压力、氧浓度等）发生上限报警，可开启相应的灭火氮气管路阀门，与检测参数的连锁控制进行处理。 

●连锁：不可同时开启的阀门 

①输粉阀和返粉阀； 

②卸粉阀与充压阀； 

③充压阀与放散阀； 

④流化阀与放散阀； 

⑤输粉阀与总管反吹阀门。 

●同时打开的阀门：煤粉仓流化气阀组。 

●顺序打开和关闭的阀门 

①同一喷吹罐的上下卸粉阀 

开启顺序：下卸粉阀——延时2s后开启上卸粉阀； 

关闭顺序：上卸粉阀——延时2s后关闭下卸粉阀。 

②同一喷吹罐的出料口阀和输粉阀 

开启顺序：输粉阀——出料阀； 

关闭顺序：出料阀——输粉阀。 

③输粉阀与二次风阀门的连锁 

输粉阀打开的条件是二次风阀门打开（仅指同一喷吹罐的阀门）。 

说明：输粉阀打开的条件是二次风阀门打开（仅指同一喷吹罐的阀门）以上阀门的控制均由电磁阀控制气动球阀来实现。 

2.2.5喷吹系统基本控制方式 

●基本控制方式分为：自动操作、CRT手动控制方式、检修控制方式。 

●自动操作： 控制室人员通过键盘或鼠标发出“装料”、“喷吹”等命令后，按规定的程序自动完成自动装料、喷吹等顺序动作。 

●CRT手动操作：除必要的连锁外，人工在CRT上手动操作各单体设备。 

●检修操作：检修操作是在手动操作之下的一种操作，解除设备的连锁，进入的人工手动操作各单体设备。 

3  结束语 

整个控制系统是以PLC为完成各个单体设备的控制。对于整个控制系统来说需要将这些单体设备通过二级网络连成一个统一的系统集中管理和监控，这体现了现代控制理论的集中管理，分布控制的原则。 

实践证明：此系统分发挥了网络通讯的优势（所有模拟信号都是以数字方式传递，高速、），同时选用UniMAT的PLC模块与西门子的S7-400PLC组成集中—分布式的网络结构控制系统，既保证了控制系统的性能稳定，又大大节约了硬件投资和相关的施工费用，不失为高炉喷煤控制系统的一个性价比优良的解决方案