煤炭自动装车控制系统设计分析

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［摘要］针对目前煤炭人工控制装车，自动化水平较低且易造成装载量不合理的现状，设计一套以PLC为控制核心的煤炭自动装车控制系统，并利用工控机作为上层监控核心设备。系统可实现无人干预下的自动装煤，且可实现装载量恒定，有效解决目前装车中超载以及亏载的问题。应用测试表明，系统具有自动化控制、可靠性高、安全经济的优势，可为企业增加可观的经济效益。

［关键词］煤矿；装车；控制系统；自动化；PLC

引言

煤炭作为我国的基础能源，在我国能源结构中占有举足轻重的位置［1-2］。我国的煤炭资源分布并不均匀，煤炭需要由原产地煤场运输到全国各地加以利用。因此，煤炭的装载运输就成为较为重要的一环［3］。但是，目前煤矿煤场装车主要是人工干预下的半自动化控制，时常造成装载量超载或者亏载的现象，造成很大的人力物力的浪费，给企业带来了很大的经济损失。本文针对这种现状，提出开发一种基于PLC控制并利用上位机进行监控的煤炭自动化装车控制系统。该系统可实现自动控制装车，根据实际情况调整控制装煤流量以及装煤量，有效实现准确装煤，减少工人工作量，同时保障装车工作安全，提升自动化水平，切实为企业增加经济效益。

1总体方案简介

目前煤矿煤炭装车多采用人工控制的半自动化方式，利用称重系统边称重，边人工调整，装车人员依靠经验，时常造成装载量不准确且效率低，因此，自动化定量装煤控制系统成为迫切需求［4］。本文所设计的煤炭自动装车控制系统主要由传感器检测模块、网络通讯模块、控制模块、执行模块以及上位机监控模块组成。该系统简要工作过程为：当运煤车进入煤仓下方稳定后，系统通过重量、位移等传感器模块采集检测车辆信息，反馈给程序控制器，在确认车辆后，启动给煤设备以及输送设备，变频器可根据给煤总量调整给煤机给煤速率，并通过皮带秤对给煤量称重后进入运煤车，检测设备实时监测装煤量以及车厢质量直至达到设定量，系统停止给煤机输送机，实现自动化定量装煤控制。系统整体结构如图1所示。

2系统的整体设计

综合考虑了煤矿的复杂运行环境、煤矿运作对安全性、可靠性的严格要求以及开发成本等多方面因素，选用在工业控制中开发技术已十分成熟的PLC作为煤炭装车自动化控制系统开发的基础，并利用上位机作为监控系统核心设备，实现系统的可视化、在线监测控制功能。控制系统的硬件设备包括PLC、变频器、工控机、通信设备线路等。该系统PLC选用德国西门子公司设计生产的中型S7-300系列，CPU选择功能较为稳定且强大的CPU315-2DP，该系列PLC采用模块化设计，结构紧凑，适用各种工业环境。变频器则选用ABB公司生产制造的ACS800-11型，对给煤机电机工作电源的频率进行转换与调整，以达到对给煤量的变频控制［5］。系统通过变频器与PLC的配合，实现对电机的安全高效控制。系统硬件结构如图2所示。

2.1自动装车控制设计

煤炭自动装车过程中，首先车厢驶入煤仓下部，在轨道衡上停车，位移传感器检测到车厢停止平稳后，系统采集并读取到位移信息，开始动作，启动给煤机以及皮带输送机输送原煤进入原煤缓冲仓，系统控制配料系统配料阀卸煤，通过2台皮带秤配合对煤炭流量进行称重，而后煤炭进入煤炭定量仓，定量仓通过无尘卸料装置实现煤炭装车，避免煤炭扬尘污染环境，系统同时设置有检测装置，可对车厢的煤料位置以及车厢总重量进行监测，系统可以根据车厢煤料高度以及车厢总重量，由PLC给出指令到变频器，再由变频器实现对给煤机电机转速的控制，调节给煤速率，实现自动化定量装煤。目前在实际装煤工作中，依据操作人员经验目测或根据车厢重量控制给煤机给煤量，因此存在装煤不准确，手动操作卸煤容易发生重量冲击的现象，对车厢造成损伤。针对目前存在的不足，并结合变频调速原理，设计了给煤机的调速控制模块，可实现对给煤机转速的连续平稳控制。在控制过程中，根据车厢位移传感器采集的信息以及重量信息，获得煤料的高度、重量信息，经过A/D转换，传递给控制器，控制器通过PID控制与设定量进行比较得出控制信号，经过D/A转化，控制给煤机转速，实现给煤流量的调整，同时协调控制配料阀以及卸料阀，实现安全准确装煤。系统控制原理如图3所示。

2.2状态监控设计

利用上位机对系统工作状态进行监控。状态监控包括对运行现场、控制过程以及系统设备安全情况的监测与报警，有效保障生产安全。运行现场监测利用视频对系统运行情况、装载情况进行监测；系统设备的监测包括对给煤机电机、皮带输送机电机温度与电流监测、变频器故障信号监测；控制过程监测则包括对运行过程中电动机等电气设备转速、电流、功率执行情况，各辅助设备包括配料系统阀门、卸料系统参数的监测。状态监测主要通过传感器，检测设备测点位置的温度和电流等相应信号模数转换后，经过数据预处理模块处理，由通讯模块传输到控制器，监测模块判断设备的运行状况，同时将监测情况在线显示。

3网络通信

PLC作为煤炭装车自动化控制系统的核心，利用现场总线技术实现与其他设备之间的连接与通讯。PLC与变频器通过PROFIBUS-DP完成连接并实现主从通信。系统状态监测模块对监测点模拟量信号进行检测、采集，由通讯扩展模块送至PLC控制器进行数据预处理、运算，判断状态正常与否，在异常情况下启动声光报警。上位机通过以太网通信协议实现与PLC连接通讯。

4软件程序设计

PLC作为煤炭装车自动控制系统的核心设备，利用西门子公司的STEP7开发工具对其进行开发，采用工程技术人员较易掌握的LAD（梯形图）进行程序编写，通过PLC通讯模块，实现对装车设备运行过程中产生的模拟量、数字量状态参数进行组态，实现数据接收，而后进行转换处理、运算，并给出控制指令。利用较为节能高效的变频技术完成对电机的平稳控制以及速度调整。在STEP7中完成对软件程序的测试与调整工作。上位机监控系统利用工控机作为核心设备，选用国产组态王（kingview）软件，实现对设备组态。组态王软件专门用来开发监控系统，在工业控制领域应用广泛，系统功能强大，成本较低，结构简单，根据实际生产需要完成了系统监测界面的图形化设计、数据库构建、动画连接，同时进行了测试与调试。控制系统主程序软件流程如图4所示。

5结语

本文设计了一种针对煤炭生产企业装车的自动化控制系统，完成了对系统整体方案设计以及具体实现过程的介绍。系统可实现对煤炭装车的自动控制、定量装煤、变频节能调速等功能，工作人员可实时在线监控煤炭装车过程。同时，系统自带报警功能，在系统发生故障时，可实现预警作用。对系统进行了测试，测试结果表明，该系统功能稳定，预期效果良好。预计该系统的应用，可大大提高煤矿装车的自动化程度，保障煤矿的安全经济稳定运行，同时可以减少煤尘污染，保护煤矿的财产安全与工人的生命健康，提高企业的经济效益。

［参考文献］

［1］孙德利.火车自动装车控制系统的设计［J］.石油化工自动化，2008（2）:77-78.

［2］刘学东.选煤厂自动装车系统控制过程分析［J］.选煤技术，2008（6）:55-57.

［3］刘学东.基于PLC的装车自动化系统开发及总体设计［J］.唐山学院学报，2008（6）:47-48.

［4］郭欣.全自动矿山铁路装车系统的设计与开发［J］.煤炭科学技术，2010（10）:96-100.

［5］刘屹，石博强，谭章禄.基于物联网的煤炭智能装车系统设计［J］.煤炭技术，2015（7）:232-234.

作者：宋志宏 单位：大同煤矿集团有限责任公司