CN102354173A - 煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统 - Google Patents

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方恩才
芮存山
唐玉平
佘武寿
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宋德利
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Abstract

本发明公开了一种煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，在掘进机上设置有主控PLC，在各级皮带机上分别设置有分控PLC，主控PLC控制除尘风机供水电磁阀通断、风机启动开关启停、风机水量监测开关启停，以及掘进机的启停，主控PLC还通过现场总线与各个分控PLC通讯，分控PLC接收各自对应的皮带机上传感器的输出信号，以控制各自对应的皮带机的控制开关的启停、声光预警电路预警，并将皮带机上传感器的监测数据传输至主控PLC。本发明使掘进机与除尘风机、皮带机之间的启停控制更加科学合理、安全高效，保证了煤矿井下的安全生产。

Description

煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统
技术领域
本发明涉及煤矿井下控制系统领域，具体为一种煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统。
背景技术
对于煤矿综掘作业线一般拥有以下设备：岩巷掘进机、除尘风机、多级皮带机，但各种机械设备之间的操作与控制是相互独立的，在施工中通常会存在许多问题。
首先，掘进机与除尘风机之间的协调控制存在问题。当在掘进机运行时，除尘风机没有同步联动控制，必须手动开启，使工作面的粉尘不能即时排除，严重影响工人身体健康。在掘进机停止运行时，除尘风机不能通过适当的延时自动停止工作，除尘器喷雾水将造成工作面积水、影响施工环境和施工安全，除尘风机空运转也造成电能的浪费。除尘风机每次开关要人工开关水阀门和观察水流量，不及时开水或水量过小都会影响除尘效果，如不及时关闭水源，会使作业面漫水。除尘风机无水流量或水压力检测开关，不能保证足够除尘水量，影响除尘效果。
其次，在掘进机与皮带机之间的协调控制存在问题。掘进机的刮板机与皮带机启停之间无法实现合理的衔接控制。多级皮带机的启动与停止控制通常需要人工多步骤或多人来完成，而现场施工人员一般是一人多任务，在其中某个环节开机不及时，就会造成矸石堆积；关机不及时，导致皮带机长期空运转，造成胶带、托辊、滚筒等不必要的机械磨损，因而导致安全威胁，能源浪费、增加维修量。各级皮带停机配合不恰当，矸石滞留在皮带上，造成皮带机启动困难、皮带打滑、电机过负荷等故障。各级皮带机在启动之前和运行中，缺乏声光信号警示和工作状态指示，缺少直观的视频监视。掘进机与皮带机之间的距离很长，沿线没有监测监控设备，掘进机司机无法了解皮带机沿线的运行情况，不能即时发现皮带机的故障，可能造成盲目开机，产生安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，以解决煤矿井下掘进机、除尘风机、皮带机之间无法有效实现联动控制的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：在掘进机上设置有主控PLC，在各级皮带机上分别设置有分控PLC，所述主控PLC与各级皮带机上的分控PLC通过现场总线通讯连接，主控PLC与除尘风机的供水电磁阀、风机启动开关、风机水量监测开关分别电连接，主控PLC还与掘进机的控制电路电连接，所述主控PLC控制除尘风机供水电磁阀通断、风机启动开关启停、风机水量监测开关启停，以及掘进机的启停，主控PLC还通过现场总线与各个分控PLC通讯；各级皮带机上分别设置有声光预警电路、多种传感器，各级皮带机上的传感器、声光预警电路分别接入各级皮带机各自对应的分控PLC中，且各级皮带机的控制开关亦接入各级皮带机各自对应的分控PLC中，所述分控PLC接收各自对应的皮带机上传感器的输出信号，以控制各自对应的皮带机的控制开关的启停、声光预警电路预警，并将皮带机上传感器的监测数据传输至主控PLC。
所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述主控PLC、各个分控PLC中分别设置有控制程序模块。所述主控PLC中的控制程序模块按设定的启动程序和延时时间启停掘进机，以及除尘风机的供水电磁阀、风机启动开关、风机水量监测开关；所述分控PLC中的控制程序模块按设定的启动程序和延时时间启停对应的皮带机及实现皮带机保护功能。
所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述主控PLC上还接入有键盘，通过键盘对主控PLC中控制程序模块设定参数，所述主控PLC将设定的参数传输至各个分控PLC中，各个分控PLC的控制程序模块根据所述参数控制皮带机的延时启停，以及执行延时启停动作的皮带机的条数。
所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述主控PLC、各个分控PLC分别采用隔爆兼本质安全型PLC。
所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述各级皮带机上设置的传感器有堆煤传感器、红外传感器、温度传感器、速度传感器、烟雾传感器、急停传感器。
所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述各级皮带机上分别设置有接入各级皮带机各自分控PLC中的LED显示屏，所述分控PLC通过LED显示屏来显示预警信息。
本发明实现了井下掘进机与除尘风机、皮带机之间的联动控制，采用隔爆兼本质安全型PLC控制技术、工业现场总线控制技术、监测监控技术等，达到采掘工作面的自动联动控制。使施工现场不同设备原来由多人（6～10人）手工完成的操作，可由掘进机司机一人操作完成，使掘进机与除尘风机、皮带机之间的启停控制更加科学合理、安生可靠，提高了设备运行的自动化程度，达到减人增效、安全有序生产的目的。
附图说明
图1为本发明系统原理框图。
图2为本发明主控PLC原理控制图。
图3为本发明分控PLC原理控制图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示。煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，在掘进机上设置有主控PLC，在各级皮带机上分别设置有分控PLC，主控PLC与各级皮带机上的分控PLC通过现场总线通讯连接，主控PLC与除尘分机的供水电磁阀、风机启动开关、风机水量监测开关分别电连接，主控PLC还与掘进机的控制电路电连接，主控PLC控制除尘风机供水电磁阀通断、风机启动开关启停、风机水量监测开关启停，以及掘进机的启停，主控PLC还通过现场总线与各个分控PLC通讯；各级皮带机上分别设置有声光预警电路、多种传感器，各级皮带机上的传感器、声光预警电路分别接入各级皮带机各自对应的分控PLC中，且各级皮带机的控制开关亦接入各级皮带机各自对应的分控PLC中，分控PLC接收各自对应的皮带机上传感器的输出信号，以控制各自对应的皮带机的控制开关的启停、声光预警电路预警，并将皮带机上传感器的监测数据传输至主控PLC。
本发明中，主控PLC、各个分控PLC中分别设置有控制程序模块，主控PLC中的控制程序模块按设定的启动程序和延时时间启停掘进机，以及除尘风机的供水电磁阀、风机启动开关、风机水量监测开关；分控PLC中的控制程序模块按设定的启动程序和延时时间启停对应的皮带机。
本发明中，主控PLC上还接入有键盘，通过键盘对主控PLC中控制程序模块设定参数，主控PLC将设定的参数传输至各个分控PLC中，各个分控PLC的控制程序模块根据所述参数控制皮带机的延时启停，以及执行延时启停动作的皮带机的条数。
本发明中，主控PLC、各个分控PLC分别采用隔爆兼本质安全型PLC。
本发明中，各级皮带机上设置的传感器有堆煤传感器、红外传感器、温度传感器、速度传感器、烟雾传感器、急停传感器。
本发明中，各级皮带机上分别设置有接入各级皮带机各自分控PLC中的LED显示屏，分控PLC通过LED显示屏显示预警信息。
本发明采用隔爆兼本安型PLC控制器对掘进机、除尘风机、皮带机进行联动控制。隔爆兼本安型PLC控制器为自我研制，采用模块化设计，扩展方便，功能强大；其DI/DO点数可扩展至80点；具有脉冲频率测量、脉冲周期测量、脉冲宽度测量功能；PWM高速输出、频率型模拟量采集、语音信息报警、输入断线判断等多种模块；通讯为标准的MODBUS-RTU或MODBUS-TCP通讯协议，通讯距离远、网络节点多、抗干扰能力强。
当掘进机开启时，主控PLC开启电磁阀向除尘风机供水，同时，PLC采集压力（流量）传感器，当供水压力（流量）达到要求值时，PLC延时15秒开启除尘风机；当供水压力（流量）达不到要求值时，进行报警指示。
当掘进机停止截割时，PLC延时4分钟关闭除尘风机，同时PLC延时5分钟关闭除尘风机供水电磁阀。
为保证掘进时矸石及时运出，并使皮带机可靠工作和节能运行，本发明重点解决它们之间的联动闭锁，采用多个PLC组成主从控制系统，在掘进机上有一个主控PLC，各级皮带机控制及保护各设一台分控PLC，采用现场总线通信方式进行信息交换。
掘进机与皮带机联动控制方案采用时间逻辑控制。掘进机司机在观察主控PLC显示器及皮带周围无异常情况后按动启动按钮，此时语音警告、文字LED警示屏、警示灯同时发出预警信号，延时15秒后主控PLC发出开启第一条皮带，然后依次延时自动开启后级皮带，保证各条皮带机的联动控制。当掘进机停止出矸石时，掘进机司机按动停止按钮关闭刮板机或后续皮带，延时4分钟后自动关闭第三条皮带，第三条皮带关闭4分钟后自动关闭第二条皮带，第二条皮带关闭4分钟后自动关闭语音、文字LED警示屏和关闭第一条皮带，避免皮带机上积压矸石。
皮带机保护报警与PLC级联通信方案。各条皮带机增加基于分控PLC的皮带机保护系统，包括堆煤、速度、跑偏、温度、烟雾等保护功能。各保护传感器的信号进入分控PLC，分控PLC根据主控站的指令工作及皮带机保护要求，任何一个传感器发出保护信号，将停止本级皮带机工作，同时告知主控PLC，让主控PLC发出停止命令，停止掘进机和发生故障皮带机之间联动设备，而故障点后方皮带机的工作状态，将按照掘进机停止出矸石时的控制流程完成保护停机，各皮带机的故障状态通过现场总线传送给主控PLC，操作人员通过指示及时了解故障原因，做到尽快进行维护，使整个系统实现安全、高效运行。
为了保证从掘进机到各级皮带机之间通信的实时性和快速性，主控PLC和分控PLC之间采用现场总线通信方式，每个分控PLC将单个传感器的信息收集，通过工业现场总线将信息传输到总站处。同时，在掘进机处和各皮带的机头都安装有矿用LED汉字显示屏、声光语音报警器。在皮带机符合启动或停车条件时，在掘进机处的LED汉字显示屏显示“允许启动皮带机”的提示语。如果不满足启动或停车条件，由LED汉字显示屏显示“皮带机不满足启动条件，请停机检查”的提示语，同时声光报警，提醒工作人员查找原因。
本发明采用矿用隔爆兼本安型PLC控制器，具备Exd[ib]I防爆标志，是集先进的电子技术、自动控制技术、通讯技术、防爆技术于一体的新一代矿用控制器。该控制器适用于煤矿井下有瓦斯和煤尘爆炸的危险环境中，也可工作于冶金矿山、露天煤矿、港口码头、选煤厂、发电厂等恶劣环境。具有强大的控制能力、丰富的按键操作、液晶屏汉字显示、语音报警、本安接口等特点，能实现各种场合中皮带机的控制、监测及自动化。能升级换代现有各种皮带机综合保护装置。该控制器不仅可以完成单机设备控制，还可以组网形式组成系统，实现分布分级式远程监控和管理。
隔爆兼本安型PLC供电电源电压为AC127V/AC36V，电源电压波动范围为额定电压的75%～110%，功率不大于40W。本安参数为：U0=DC12V，I0=930mA，C0=5uF，L0=2mH。外形尺寸：445mm×415mm×165mm；重量小于16kg。
隔爆兼本安型PLC分为本安腔和隔爆腔两大部分，通过多芯电缆连接。上部为本安腔，内部安装有矿用本安型PLC、接线端子、线槽等；两侧共有10个喇叭口用于连接本安信号；本安腔面板上嵌入有语音报警用的扬声器与人机对话的LCD显示器。隔爆腔内有本安电源、大功率继电器与非安型开关量输入接口等。控制器使用本安型模块化PLC为控制核心，易于组合，易于扩展。
综掘机、除尘风机、皮带机一体化控制联动系统可安装在井下掘进巷道内。主控PLC安装在掘进机的司机操作台前，对分控PLC进行监控和通信，可以发出控制信号启动或停止分控PLC。并控制除尘风机的启停，当有截割信号输入或按下除尘按钮则启动水阀，当水压达到一定值时，延时15秒启动风机。分控PLC安装在皮带机机头部，配有矿用LED汉字显示屏，皮带机沿线每隔100米安装急停开关及声光语音报警器。分控PLC外接各种皮带机保护监测传感器。各传感器安装位置为：堆煤传感器安装在皮带机头；跑偏传感器在皮带的头部、尾部和中间各一对；烟雾传感器安装在机头上方；紧急停车开关为沿线安装；温度传感器安装在主滚筒上；速度传感器安装在主滚筒上或皮带下方。
本发明掘进机与除尘风机的联动控制过程如下：当掘进机司机按下主控PLC启动键F1后，主控PLC开启电磁阀向除尘风机供水，同时，主控PLC采集压力传感器，当供水压力达到要求值时，PLC延时15秒开启除尘风机，当供水压力达不到要求值时，主控PLC及时显示并拒绝开启风机；当掘进机司机停止掘进机截割部时，PLC延时4分钟关闭除尘风机，同时PLC延时5分钟关闭除尘风机供水电磁阀；除尘风机能够按照要求合理开停，水阀、水压、风机三者的工作及停止配合科学合理，保证了除尘风机的使用效果及使用寿命，尤其对除尘风机的核心部件湿式正弦网的保护是人工很难做到的。
本发明掘进机与皮带机的联动控制过程如下：掘进机司机在观测主控PLC显示器及皮带机准予启动情况后按动F1启动按钮，语音警告发出启动预警、文字LED警示屏发出“皮带机即将启动，请注意安全”警示，警示灯闪烁。在无故障情况下，延时15秒后主控PLC发出开启第一条皮带机的指令给分控PLC，第一条皮带机启动运行，并按顺序启动后级皮带机。掘进机停止出矸石时，司机按动停止按钮F2，延时几分钟后自动按逆顺序停止皮带机。皮带机关闭4分钟后自动关闭语音、文字LED警示屏。
本发明皮带机保护报警与PLC级联通信过程如下：皮带机保护传感器信号输入到分控PLC，皮带机开启与停止前皮带机头装设有LED显示条屏，具有语音及文字警示功能，皮带机沿途有声光警示灯警示。皮带机与掘进机的二运皮带能够实现了逆煤流启动与停车，也可以单台启动与停车。不使用分控PLC控制皮带机时，可将该分控PLC设置为离线状态。遇紧急情况从皮带机头至掘进机安装有急停开关可以保证皮带机的紧急停车，皮带机头的分控PLC的F3按钮及皮带机停止按钮均可以及时停车，确保系统的安全。主控PLC与分控PLC之间的通信迅速，安全可靠，未出现过通信错误和拒动的情况。

Claims (6)

1.煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：在掘进机上设置有主控PLC，在各级皮带机上分别设置有分控PLC，所述主控PLC与各级皮带机上的分控PLC通过现场总线通讯连接，主控PLC与除尘风机的供水电磁阀、风机启动开关、风机水量监测开关分别电连接，主控PLC还与掘进机的控制电路电连接，所述主控PLC控制除尘风机供水电磁阀通断、风机启动开关启停、风机水量监测开关启停，以及掘进机的启停，主控PLC还通过现场总线与各个分控PLC通讯；各级皮带机上分别设置有声光预警电路、多种传感器，各级皮带机上的传感器、声光预警电路分别接入各级皮带机各自对应的分控PLC中，且各级皮带机的控制开关亦接入各级皮带机各自对应的分控PLC中，所述分控PLC接收各自对应的皮带机上传感器的输出信号，以控制各自对应的皮带机的控制开关的启停、声光预警电路预警，并将皮带机上传感器的监测数据传输至主控PLC。
2.根据权利要求1所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述主控PLC、各个分控PLC中分别设置有控制程序模块， 3. 所述主控PLC中的控制程序模块按设定的启动程序和延时时间启停掘进机，以及除尘风机的供水电磁阀、风机启动开关、风机水量监测开关；所述分控PLC中的控制程序模块按设定的启动程序和延时时间启停对应的皮带机及实现皮带机保护功能。
3.根据权利要求1所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述主控PLC上还接入有键盘，通过键盘对主控PLC中控制程序模块设定参数，所述主控PLC将设定的参数传输至各个分控PLC中，各个分控PLC的控制程序模块根据所述参数控制皮带机的延时启停，以及执行延时启停动作的皮带机的条数。
4.根据权利要求1所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述主控PLC、各个分控PLC分别采用隔爆兼本质安全型PLC。
5.根据权利要求1所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述各级皮带机上设置的传感器有堆煤传感器、红外传感器、温度传感器、速度传感器、烟雾传感器、急停传感器。
6.根据权利要求1所述的煤矿掘进机、皮带机、除尘风机的自动联动控制系统，其特征在于：所述各级皮带机上分别设置有接入各级皮带机各自分控PLC中的LED显示屏，所述分控PLC通过LED显示屏来显示预警信息。
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