煤礦主井皮帶運輸機在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

宋振海

（陽煤集團機電動力部，山西 陽泉045000）

引言

近年來隨著煤炭需求量的不斷增加，對皮帶運輸機工作穩(wěn)定性要求越來越高，但是因皮帶運輸機輸送路線較長，中間環(huán)節(jié)極為復(fù)雜，運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、打滑、堆煤等故障，導(dǎo)致采煤工作停滯，嚴重制約了原煤開采產(chǎn)量的進一步提升[1-3]。智能設(shè)備發(fā)展過程中在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生，極大地提高了設(shè)備的自動化、智能化的水平，減少了設(shè)備的人員投入，為設(shè)備的安全可靠工作提供了重要保障[4-5]。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

皮帶運輸機在線監(jiān)測系統(tǒng)核心控制部件采用的是PLC，控制方式以遠程監(jiān)控為主，就地操作為輔，根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需求，完成了方案的設(shè)計，如圖1所示，主要包括操作層、控制層和設(shè)備層。在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計是以其常見的故障為基礎(chǔ)，選擇相應(yīng)的傳感器，完成數(shù)據(jù)的采集，如跑偏、速度、溫度等信號，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳輸至PLC控制分站，之后PLC主站借助以太網(wǎng)完成與控制分站和上位機的通信。相關(guān)工作人員能夠通過人機交互界面監(jiān)測各個設(shè)備的運行狀態(tài)、參數(shù)變化、實時曲線以及故障信息等，也可以對指定的設(shè)備發(fā)送控制指令，完成控制指令的傳輸，實現(xiàn)皮帶運輸機的實時監(jiān)控。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括三個層次，即地面控制層、井下控制層和受控設(shè)備層，如圖2所示。地面設(shè)有遠程控制室，包括上位機、控制主站等，上位機與控制主站之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信?？刂浦髡局略O(shè)置3個控制分站，分別控制3臺皮帶運輸機，完成傳感器采集數(shù)據(jù)的整合與處理。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制主站

系統(tǒng)中控制主站采用S7-300型號的PLC，因控制主站與分站、上位機之間采用的是以太網(wǎng)進行通信，故主站不需要配置擴展輸入和輸出模塊，僅需完成CPU模塊和電源模塊的設(shè)計。CPU的型號為315-2PN/DP，供電電源為24 V DC，具有以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的PROFINET接口。電源模塊型號為PS30710A，其能夠?qū)⒆儔浩鬏敵龆说腁C 127 V/220 V電壓，經(jīng)整流壓變得到DC 24 V，為在線監(jiān)測系統(tǒng)供電。

2.2 上位機

上位機通過以太網(wǎng)與控制主站完成數(shù)據(jù)傳輸，并將相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示在人機交互界面，實現(xiàn)作業(yè)人員對于皮帶運輸機的實時監(jiān)測，也可以對其進行遠程控制。計算機采用的是美國工業(yè)計算機，型號為DELL755DF。為了保證系統(tǒng)能夠不間斷工作，增加了UPS電源，不斷電的情況下其相當于導(dǎo)線，在系統(tǒng)斷電時被激活，為系統(tǒng)提供電能，避免計算機數(shù)據(jù)丟失以及PLC器件的損毀。UPS電源的輸入電壓為220 V（50 Hz），輸出電壓為AC 220 V，輸出功率為6 kVA。

2.3 控制分站

系統(tǒng)控制分站主要包括CPU、電源模塊、I/O模塊，選擇型號為315-2PN/DP的CPU，配置PS30710A電源模塊，提供DC24V電源，為CPU的正常工作提供保障。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊分別選擇型號為SM331和SM322模塊，前者包括8個模擬量輸入點，電源電壓為24V，模擬量電壓輸入范圍為0～+10V，電流輸入為0～20 mA，后者擁有32個數(shù)字量輸出點，輸入電壓為直流24 V，輸入電流為110 mA，功耗為6.6 W。

2.4 傳感器

在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來源于傳感器，包括速度傳感器、跑偏傳感器、撕裂傳感器、堆煤傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，為了保證傳感器能夠在煤礦井下可靠工作，其選型至關(guān)重要。

皮帶運輸機跑偏信息數(shù)據(jù)采集選擇型號為GEJ-30的傳感器，安裝于滾筒皮帶旁邊或者兩側(cè)的固定架上，位移桿垂直于皮帶表面，皮帶跑偏時碰觸位移桿，當跑偏量超過一定值時立即報警。速度信息數(shù)據(jù)采集采用的是運放LM358電壓比較器電路完成皮帶運輸機滾輪轉(zhuǎn)速的檢測，當驅(qū)動滾輪速度大于從動滾輪速度一定值時，認為皮帶出現(xiàn)了打滑。皮帶堆煤量的檢測采用型號為GUJ30的傳感器，防止出現(xiàn)煤炭的過量堆積損毀皮帶。煤倉物位數(shù)據(jù)信息采集選用型號為GUJ50的傳感器，用于檢測煤倉內(nèi)物料的高度。皮帶撕裂信息的采集選擇型號為GVC20的傳感器，一般安裝在皮帶機的下方，皮帶無故障時傳感器正常斷開，出現(xiàn)故障時，傳感器接通報警，接線方式如圖3所示。溫度信號數(shù)據(jù)的檢測選擇型號為DS18B20的傳感器，主要檢測皮帶滾輪的溫度，避免因其溫度過高導(dǎo)致火災(zāi)，必要時可以自動開啟噴水裝置，接線如圖4所示。同時還配置了煙霧傳感器和電子皮帶秤選擇傳感器。

圖3 撕裂傳感器接線圖

圖4 溫度傳感器接線圖

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序

在線監(jiān)測系統(tǒng)啟動之后CPU將會循環(huán)執(zhí)行主程序OB1，通過運行主程序調(diào)用其他的邏輯功能模塊，以實現(xiàn)皮帶運輸機運行狀態(tài)的監(jiān)測功能。主程序就是對整個監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、故障診斷三個模塊進行集成編寫，其具體的程序如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序

3.2 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)模擬量選擇的是4～20 mA電流信號，更有利于抑制井下環(huán)境的信號干擾。數(shù)據(jù)采集過程中，傳感器輸出的模擬量信號優(yōu)先接入由線性光耦HCNR200組成的光電隔離電路中，之后進入PLC的數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實現(xiàn)將傳感器采集得到的轉(zhuǎn)速、溫度、電流等信息轉(zhuǎn)化成4～20 mA的數(shù)字量，顯示在上位機的人機交互界面，供操作人員觀察并做出相應(yīng)的指令控制。

3.3 故障診斷

系統(tǒng)故障診斷功能的實現(xiàn)主要依賴于傳感器，通過循環(huán)檢測故障信號的模式，完成皮帶運輸機運行過程中溫度、煙霧、堆煤、跑偏、撕裂、打滑、急停等故障的判斷。當檢測得到皮帶溫度過高或者起煙等故障時，系統(tǒng)將會自動啟動灑水裝置；當檢測得到皮帶跑偏、撕裂、堆煤等故障時，系統(tǒng)會自動啟動聲光報警裝置，進行停機處理。具體的故障診斷程序流程如圖6所示。

圖6 故障診斷程序

3.4 上位機

系統(tǒng)上位機的設(shè)計采用MCGS組態(tài)軟件，能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計功能和現(xiàn)場操作需要完成界面的設(shè)計。主界面作為操作人員頻繁使用的界面，能夠快速完成模式選擇、啟動方式、設(shè)備控制等功能的選擇。皮帶機運行過程中能夠觀察動畫工藝流程，了解設(shè)備運行情況，當皮帶機出現(xiàn)故障時，能夠顯示故障位置及其可能的原因。當工作人員想要知道皮帶機的運行參數(shù)、報警詳情、參數(shù)設(shè)定等情況，可以通過主界面進行界面切換，如圖7給出了皮帶運輸機在線監(jiān)測系統(tǒng)的主界面。

圖7 上位機主界面

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證皮帶運輸機在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計效果，將其應(yīng)用于某煤礦主井皮帶運輸機并對其進行了為期半年的跟蹤記錄。結(jié)果表明，在線監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足皮帶運輸機對于在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。系統(tǒng)應(yīng)用過程中成功監(jiān)測得到皮帶跑偏故障8起、堆煤故障2起、溫度過高1起，均在人機交互界面進行了顯示，給出了對應(yīng)的預(yù)警信號，避免了故障的進一步擴大，在監(jiān)測系統(tǒng)的指示下很快確定了故障位置，及時排除了故障。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計，該系統(tǒng)的投入使用，皮帶運輸機的人員投入成本降低約32萬元/a，故障排除效率提升近30%，煤炭開采產(chǎn)量提升近15%，直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益近200萬元/a，取得了很好的應(yīng)用效果。