基于以太网的矿用带式输送机远程控制系统研究

李明轩

（山西泽州天泰能源有限公司， 山西 晋城 048000）

0 引言

带式输送机的结构原理决定了特别适合散装物料的运输，因此在煤矿领域被广泛应用，它的作用主要是对煤矿物料进行长距离运输[1]。然而煤矿领域的工作环境非常复杂，带式输送机运行过程中难免会出现各类故障问题，影响其运行稳定性[2]。控制系统作为输送机的重要构成部分，其性能会直接影响运行可靠性和稳定性[3]。针对输送机的控制系统，很多技术人员和学者开展了一定的研究，取得了很好的成果，在促进输送机控制系统国产化方面起到了很大的作用[4]。基于此在已有研究成果的基础上，结合煤矿带式输送机的特点，基于工业以太网技术设计了输送机的远程控制系统，将其应用到工程实践中，达到了预期效果。

1 远程控制系统整体方案设计

1.1 三维模型建立

研究的带式输送机系统总输送长度为570 m，同时由3 台设备进行输送，如图1 所示为煤矿中使用的带式输送机远程控制系统的整体方案框图。可以看出，控制系统以S7-1200 型PLC 控制器为核心。利用速度传感器及各类保护传感器，对带式输送机运行过程中的状态数据信息进行实时采集，并上传至控制器中进行综合分析处理，其中保护传感器包括斯带、烟雾、跑偏、温度、电流等传感器。控制器根据处理结果，对带式输送机系统中的3 台电机及其配套的变频器进行远程控制，达到实时调节设备运行状态的效果。同时控制器与上位机连接，将数据实时上传至上位机中进行存储，在监控大屏上显示相关数据，工作人员能实时掌握带式输送机的运行状态。

图1 提升机天轮的结构示意图

1.2 数据传输方式

1.2.1 上位机与控制器之间的数据传输

对于远程控制系统而言，上位机与控制器之间的数据传输稳定性会影响系统的正常工作[5]。考虑到煤矿环境比较复杂，容易受到外部环境因素的干扰。因此，在控制器与上位机之间利用数据传输比较稳定的工业以太网进行通信，具体的通信协议为Modbus/TCP。

工业以太网的Modbus/TCP 通信协议共分为5 个层级，其中第1 层为以太网物理层，作用是提供设备的物理接口；第2 层为CSMA/CD IEEE802.3，作用是对硬件地址数据帧进行格式化处理，第3 层为IP，作用是生成一个IP 报文包，属于32 位数据；第4 层为TCP，作用是传输、调度、重发、查错、连接以及端口服务；第5 层为应用层，作用是构建协议的报文。

1.2.2 控制器与传感器、变频器之间的数据传输

对于距离比较近的控制器与传感器、变频器之间的数据通信，目前应用较多的是RS-232 和RS-485通信，两者都有较好的实践效果。实践经验表明，后者的通信稳定性比前者相对要高，因此本控制系统利用后者来建立控制器与传感器、变频器之间的数据通信。最大的传输距离和传输速率分别可以达到1 200 m和10 Mbit/s。

2 远程控制系统设计

2.1 电气控制系统设计

远程控制系统中主要电气元器件和设备的原理及其相互联系，需要利用电气原理图来表示，带式输送机的电气原理，采用的是三相四线制连接方式。另外，为了保障电气运行安全，在带式输送机前面的火线和零线中间增加设置了开关电源，特殊情况下可以利用电源进行断电，确保设备及人员的安全。

2.2 I/O 接口统计及其分配

远程控制系统中的S7-1200 型PLC 控制器需要接收各类传感器及开关量的状态数据，还要向变频器等下达控制指令，因此需要准确统计I/O 口的数量。结合带式输送机实际情况，传感器的类型主要分为三类，分别为开关量输入、模拟量输入和开关量输出。其中，开关量输入需要的I/O 接口数量包括跑偏6 个，烟雾、打滑、撕带分别为3 个，启动和停止分别为1 个，急停为3 个；模拟量输入需要的I/O 接口数量包括模式切换和温度检测各1 个，电流检测3 个；开关量输出需要的I/O 接口数量包括拉紧装置和超温洒水各1 个，状态指示灯3 个。综合以上共计需要30 个I/O 接口。

系统中使用的控制器型号为S7-1200，对应的CPU 型号为CPU-1214C。但该CPU 自带的I/O 接口数量不够其实际使用，因此需要增加开关量模块、模拟量输出模块和开关量输出模块各1 个，分别为16位的SM1221 块、4 位的SM1231 模块和8 位的SM1222 模块，如图2 所示为控制器中CPU-1214C 模块的接线图。

图2 控制器中CPU-1214C 模块的接线图

2.3 模拟量转换

利用部分传感器检测得到的是模拟量信号，无法直接输入到控制器中，首先需要将其转换成为数字量信号才能使用[6]。以温度传感器的数据处理过程为例进行介绍，如图3 所示为温度数据处理功能程序。

图3 温度数据处理功能程序

利用温度传感器检测得到的模拟量信号首先需要经过线性光偶HCNR200 形成的隔离电路中，作用是将其与控制器进行隔离，保障电路的运行稳定性，然后进入SM1231 模块中进行模拟量转换。温度传感器输出的模拟量信号为4～20 mA 的电流信号。经过处理后可以得到0～27 648 的数字量信号。其中0 对应的温度为0 ℃，27 648 对应的是100 ℃。

3 PLC 控制器主要工作程序设置

设计的远程控制系统可以实现自动控制和手动控制，以下主要介绍系统自动运行时的基本控制流程图。如图4 所示为带式输送机远程控制系统的自动控制基本流程图。由图4 可知，控制系统开始运行后，首先对自身状态进行自检，确保能正常工作后进入运行状态，启动带式输送机按钮。首先启动3 号带式输送机，延时5 s，一切正常后启动2 号带式输送机，延时10 s，一切正常后启动1 号带式输送机。完成设备启动工作后，运行过程中利用传感器监测输送机系统的状态，一旦发现存在故障问题，立即启动故障处理程序，依次停止1 号、2 号和3 号带式输送机，中间分别延迟5 s 和10 s。当带式输送机需要停止工作时，按下停止按钮，1 号、2 号和3 号带式输送机依次停止运行，中间分别延迟5 s 和10 s。

图4 远程控制系统的自动控制基本流程

4 控制系统的应用分析

根据上文设计的带式输送机远程控制系统整体方案，将其应用到煤矿工程实践中，经过现场调试，确保系统能够正常运行，各项功能都能正常实现以后，正式投入应用。

截至目前，该远程控制系统在工程中的应用时间已经超过15 个月。运行期间对系统基本情况进行观察记录，发现整体运行良好，未出现故障问题，可以对输送机的运行状态进行远程、实时、准确、可靠的监控，并结合实际情况对运行状态进行调整。通过对应用系统前后的设备故障率进行对比，发现系统的成功实践应用，使得带式输送机的故障率下降了50%以上，为设备的稳定可靠运行以及煤矿开采效率的提升奠定了坚实基础，为煤矿企业创造了很好的安全效益和经济效益。

5 结论

对煤矿带式输送机的远程控制系统进行了研究，所得结论主要有：

1）系统主要原理是利用传感器对带式输送机的运行状态进行检测。利用S7-1200 型PLC 控制器分析设备运行状态，并下达指令对输送机系统运行过程进行控制，保障设备运行稳定和安全。

2）控制器与上位机之间属于长距离数据传输，选用工业以太网，控制器与传感器、变频器之间属于短距离传输，选用性能稳定的RS-485 通信协议。

3）将远程控制系统部署到煤矿工程实践中，通过连续15 个月时间的现场应用，发现效果良好，设备故障率降低50%以上，安全效益和经济效益显著。