井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王丹陽

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西大同 037000）

0 引言

帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的主要生產(chǎn)設(shè)備，幾乎從工作面到裝車站都需要其完成煤炭的輸送任務(wù)[1-2]。煤礦工況環(huán)境惡劣、運(yùn)輸線路長、運(yùn)輸量大且不均衡等原因?qū)斔蜋C(jī)使用的影響較大，極易發(fā)生輸送帶跑偏、撕裂、堆煤以及電機(jī)、變頻器等設(shè)備出現(xiàn)故障[3-5]。目前簡單的微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)存在維護(hù)量大、穩(wěn)定性差等不同程度的缺陷，難以適應(yīng)現(xiàn)代化和自動(dòng)化煤礦建設(shè)、煤礦大量開采的需求[6-7]。因此，本文以PLC為現(xiàn)場控制器，設(shè)計(jì)一套帶式輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，通過利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理與分析技術(shù)等對輸送機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)警。該系統(tǒng)的投入使用對礦用帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的實(shí)際意義。

1 帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

1.1 常見故障

1.1.1 輸送帶故障

帶式輸送機(jī)的輸送帶由帶芯和覆蓋層等混合材料組成，既是牽引機(jī)構(gòu)組成也是承載機(jī)構(gòu)組成。輸送帶的組成結(jié)構(gòu)和功能使其在高頻工作使用過程中極易發(fā)生打滑、撕裂、斷帶、跑偏等故障，因此是輸送機(jī)運(yùn)行過程中重要的監(jiān)控對象。

1.1.2 驅(qū)動(dòng)裝置故障

驅(qū)動(dòng)裝置是輸送機(jī)動(dòng)力組成的核心機(jī)構(gòu)，主要由電動(dòng)機(jī)、滾筒、聯(lián)軸器、減速器、液壓耦合器等組成[8]。其工作原理是先通過電動(dòng)機(jī)對滾筒進(jìn)行傳動(dòng)，并依靠滾筒與輸送帶之間的摩擦力帶動(dòng)輸送帶運(yùn)行。煤礦在生產(chǎn)中常常會(huì)使輸送機(jī)承擔(dān)高負(fù)荷或在負(fù)荷變動(dòng)大的工況環(huán)境運(yùn)行，長時(shí)間惡劣的運(yùn)行環(huán)境使得驅(qū)動(dòng)裝置之間極易發(fā)生故障，從而造成輸送機(jī)的停機(jī)運(yùn)行。對于電動(dòng)機(jī)、滾筒、聯(lián)軸器、減速器、液壓耦合器等組成輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的故障監(jiān)測，傳統(tǒng)法是通過井下工作人員的觀察、巡視以及觸摸進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，具有一定的偶然性?；诖耍疚牟捎冒惭b相應(yīng)傳感器，如減速器處安裝振動(dòng)傳感器進(jìn)行振動(dòng)測試來判別減速器是否故障。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)方案

1.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)方案

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動(dòng)化管理體系，本系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場傳感檢測裝置、遠(yuǎn)程控制模塊、實(shí)時(shí)通信、服務(wù)器等4個(gè)主要部分組成。如圖1所示的監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖，底層的傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置、閉鎖裝置等模塊為上一層的控制器提供實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息；位于第三層的控制器則將底層的數(shù)據(jù)收集并處理，同時(shí)將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果上傳至井下以太環(huán)網(wǎng)中；井下以太環(huán)網(wǎng)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的第二層結(jié)構(gòu)，主要完成井上與井下數(shù)據(jù)通信；最頂層為服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)收集存儲(chǔ)和處理整個(gè)礦井的數(shù)據(jù)信息。

1.2.2 故障監(jiān)測方案

通過對帶式輸送機(jī)常見故障的分析可知，故障之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，加之帶式輸送機(jī)由眾多的機(jī)構(gòu)組成，因此本文采用對某一點(diǎn)的監(jiān)測預(yù)防其他故障發(fā)生這一方案，如對輸送機(jī)張力的監(jiān)測可以對輸送帶打滑、跑偏以及斷帶故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對打滑故障的監(jiān)測又可以降低輸送帶著火故障的發(fā)生。根據(jù)帶式輸送機(jī)常見故障與安全問題的實(shí)際監(jiān)測反饋和經(jīng)驗(yàn)，將故障原因與特征進(jìn)行分析總結(jié)，如表1所示，本系統(tǒng)將以此為依據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測方案制定。

表1 故障類型、特征、監(jiān)測參數(shù)對照表

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要是對其生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、判定、存儲(chǔ)與顯示，并且能夠?qū)斔蜋C(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。為更加全面地對帶式輸送機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，本文采用分站監(jiān)測和移動(dòng)巡視監(jiān)測兩種方式，如圖2所示。分站監(jiān)測主要通過安置在輸送機(jī)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的傳感器進(jìn)行信號采集監(jiān)控，完成對打滑、斷帶、撕裂、跑偏等常見故障的監(jiān)測；移動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)主要完成對輸送機(jī)沿線附近的托輥溫度以及環(huán)境中的瓦斯等可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測。分站和移動(dòng)監(jiān)測站獲取的信息通過轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)一步處理為數(shù)字信號，通過中央處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理與傳輸，中央處理器將信息傳輸給主站對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警與存儲(chǔ)等功能。

圖2 式輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

2 硬件系統(tǒng)

整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，如圖3所示。硬件部分由PLC控制單元、各傳感器檢測單元、電機(jī)以及電機(jī)變頻調(diào)速等組成。軟件系統(tǒng)則由上位機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析單元組成。由于煤礦井下工況環(huán)境復(fù)雜，對設(shè)備要求性能也更高，所以在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)時(shí)優(yōu)先考慮安全性、穩(wěn)定性。整個(gè)硬件系統(tǒng)可分為PLC主控制器、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、I/O接口模塊、顯示模塊、語音模塊、通訊模塊等。其中，語音模塊用于工作人員的操作語音和報(bào)警功能；顯示模塊用于輸送機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測畫面以及系統(tǒng)設(shè)置信息的顯示；PLC控制單元通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分別與顯示屏、檢測單元和下層控制單元相連接，通過對各類傳感檢測單元數(shù)據(jù)的采集與初步分析，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)監(jiān)測中心，得出相應(yīng)控制策略，并將其指令通過通信單元下發(fā)給PLC，由PLC完成對現(xiàn)場各類開關(guān)、變頻器、保護(hù)裝置等設(shè)備控制，從而完成整個(gè)運(yùn)輸機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測過程，采用西門子公司的S7-200作為控制器；變頻器是輸送帶運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成，為保證系統(tǒng)的長期可靠運(yùn)行，選用具有矢量控制技術(shù)的QJR系列礦用隔爆兼本安型變頻調(diào)速裝置。

圖3 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件編譯是通過STEP7應(yīng)用軟件編譯，STEP7編譯的PLC控制程序是由主程序和各類子程序組成，通過模塊化編寫，可以將所需的控制任務(wù)劃分為若干模塊，程序能夠自上而下進(jìn)行運(yùn)行，故該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的移植性，方便后期的調(diào)試和修改。圖4所示為系統(tǒng)的主程序，在初始化運(yùn)行后分別調(diào)用輸入信號處理子程序、控制方式選擇子程序、過程監(jiān)測子程序、故障處理子程序等子程序的運(yùn)行。

圖4 軟件系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文對帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，其中包含對輸送機(jī)常見易故障部件進(jìn)行分析，并對系統(tǒng)的故障類型、特征、監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測方案、系統(tǒng)架構(gòu)方案制定，以及系統(tǒng)所需完成功能分析設(shè)計(jì)?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)完成了一套井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，通過多層運(yùn)行模式，現(xiàn)場以PLC控制器為核心對輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對輸送機(jī)的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，極大滿足了煤礦安全生產(chǎn)的需求。