基于 PLC控制的自动充填系统

李张男

开滦集团唐山开滦林西矿业有限公司 河北 063000

[摘要]近年来，随着我国经济水平的不断提高、工业化程度的不断发展，在人们的日常生活中越来越离不开对各种资源的开采，而煤炭资源更是其中不可缺少的一部分。但是，煤矿资源的开采十分艰难，并且对周边生态环境存在着一些风险隐患，因为其深藏地底，一旦将其挖出，低质地表失去支撑以及稳定，可能会出现地表下沉等现场。并且随着我国对可持续发展以及环保发展的理念越发重视，因此充填技术应运而生。

而自动化智能化更是未来煤矿发展的主要趋势，因此本课题采用PLC作为主要的控制系统，实现通过对振动模拟量的采集来控制充填工作自动化运行的目的，达到了减轻矿工劳动强度，增加工作安全性的目的，为矿井的开采提供了有力的生产保障。

关键词：自动化、膏体充填开采，PLC

第一章 绪论

1.1 课题背景以及意义

林西矿1121-1采面采用充填工艺实现对采面煤矿的开采，该工作面平均长度约90m, 工作面共布置5个布料管，工作面充填管在每个设置布料管的地方接一个换向阀，利用换向切换控制充填浆液。充填过程中，工作面由低处向高处交替循环充填。

本课题立意是将现代自动化控制系统与充填技术相结合，并通过现代化手段实现采面的自动充填，其作为煤矿自动化改造的一部分，具有非常大的实际意义。在如今的煤矿开采行业中，安全是行业的第一要素，只有保障安全，才能保障生产，而自动化充填可以降低现场操作人员的工作强度，确保系统的稳定性，对员工的生命安全生产起到积极作用，因此充填系统的自动化研发是社会的发展主要趋势。

1.2 充填工序介绍

充填的工作原理是一个先将矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、添加剂（悬浮剂、速凝剂）和水等四种物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间的过程。其充填工艺顺序为：安全确认→充填准备（采面形成隔离区，上下端头支设“隔离墙”、吊袋、接管）→巡回检查→通知充填站打水→灰浆推水→充填膏体推灰浆→正常充填→管道清洗（灰浆推充填膏体→水推灰浆）→充填结束验收。

而该工艺流程中，如何判断充填管路中的物质种类这一问题尤为重要，因为这涉及工人对换向阀开关时机的掌握，若该步骤操作不当，可能对充填体的强度以及安全程度存在一定影响，在传统充填流程中通常使用人工判断的方法确认充填管道中的物质，但该方法过于依靠工人的熟练性并且可能存在极大的误差，因此本课题为解决这一问题，采用振动传感器来采集管道的振动频率，并通过对振动频率的频率来分析管道中的物质，并通过声光信号给与现场工人提示，帮助工人顺利安全的完成生产。

本文设计通过对振动模拟量的采集控制，实现自动控制充填换向阀，实现充填系统的自动充填。

1.3 PLC控制系统的优点和趋势

使用PLC设计的充填自动控制系统，采用微电子技术，大量开关动作由无触点的电子存储器件完成，在需要控制时只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，取代了继电器等物理电子器件，可靠性大大提高而且寿命更高。此外，PLC体积小，质量轻，便于安装，还能通过数据直观地显示系统工作状态及各项参数，更加方便直接。而且由于用软件编程取代硬接线实现控制功能，设计安装调试整个系统更加方便安全，大大增加了系统的可靠性及安全性。

第二章 自动化充填系统的工艺要求与总体设计

2.1 系统工艺要求

本次设计是基于PLC的充填系统，该系统的共分为两套方案，分别为自动控制系统和手动控制系统，自动系统主要使用自动控制方式运行，只在必要时使用手动方式来对系统进行运行方式控制；手动控制系统则增加来液报警系统，当充填管道中来液时，振动传感器收到感应，通过控制现场的声光信号来对现场工人进行提醒并自动计时，并且随着管道中液体的不同，其报警信号及方式也有所差异，手动系统需要人工对换向阀进行操控。

自动控制系统，根据系统需求，井下自动充填控制系统的PLC信号主要包括三种：数字量输入信号、数字量输出信号和模拟量输入信号。其中数字量输入在本系统中的信号主要包括充填系统的启动和停止运行、手自动模式的选择、复位按钮等；数字量输出信号可以包括五个换向阀的控制、三种指示灯的控制、矿用电铃的控制；而模拟量输入信号则有振动传感器的振动值的监测。

手动控制系统的设计较为简单，增添一个振动传感器于管路上，将其振动值传递给振动显示器，通过振动显示器输出36V电压给三种指示灯以及电铃，给现场工作人员提示，辅助其更好的完成充填工作。

2.2 系统功能及特点

本系统具有手动、自动两种控制模式，并设有对应的模式指示灯，在选择模式后出于安全考虑无法再运行中切换程序，必须手动按下控制模式复位按钮才能更换程序。选用手动模式后就和手动系统功能相同，PLC不参与充填换向阀的控制，而是通过人工来调节时间开关换向阀实现采面的充填工作，本系统全为辅助功能，为现场员工降低工作难度。

如选用自动模式，按下启动按钮后，当管道中来液时开始第一段计时，此计时为充填的开始时间；当膏体进入时开启第二段计时，由于膏体在管道中不能停留超过30min的时间，因此当膏体计时开始，5个换向阀又下向上依次开始充填，每个换向阀开启五分钟，完成一个周期后自动开始第二周期的运行，直至充填完成。并设有紧急停止按钮，可以瞬间关闭所有换向阀，为员工提供安全保障。

第三章 自动充填系统中硬件设计及设备选型

3.1 PLC以及振动传感器的选择

本系统选用西门子S7-200CPU224型PLC，具有14点输入/10点输出，共有24点数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O；6个独立的30kHz高速计数器，两路独立的20kHz高速脉冲输出，具有比例、积分、微分(PID)控制器；1个RS-485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。

由于需要对输入的模拟量的进行处理，特扩展了一块EM231模块以及一块EM222模块，EM231是最常用的模拟量扩展模块，它实现了3路模拟量输入，EM222模块为系统增加了8个数字量输出，以用为后期增添其他电器设备提供接点。

为了符合煤矿使用设备的安全，所以振动传感器选择是的是矿用本安型振动传感器GZC20，GZC20 矿用本安型振动传感器是一款用于在线实时监测振动的就地传感器。它是一种对物体的绝对振动测量，可安装在物体的表面上，对机器进行实时监控，输出标准 4-20mA 模拟量。振动传感器将振动信号发生器和信号调节电路集成为一体的传感器,能将现场采集到的振动信号直接变换为 4～20mA 电流信号。输出信号可直接传送至可编程控制器（PLC）,集散控系统（DCS）监视器、采集器、记录仪或其他监控设备。

结论

我矿刚刚采用矿井充填开采技术，其自动化程度较低，系统还停留在需要工人通过经验来判断是否开启的换向阀的地步，未解决这一问题，特通过增添振动传感器来控制外接声光信号，提醒工人开启充填。并通过采用西门子的 S7－200系列PLC，可以实现工作面的自动充填，其通过内置计时器来自动轮流打开换向阀，实现布料袋的充填，大大降低了工人的劳动强度，并增加了充填工作面的可靠性。

参考文献

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