井下皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)

張亞鵬

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西運(yùn)城 043300）

0 引言

皮帶機(jī)是可以連續(xù)作業(yè)的一種運(yùn)輸設(shè)備，其優(yōu)勢在于距離長，運(yùn)送的能力較強(qiáng)，費(fèi)用低，方便進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和集中自動化智能控制。在煤礦的生產(chǎn)中具有重要作用，它的運(yùn)行狀態(tài)對煤礦企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益有著直接的影響。生產(chǎn)過程如果出現(xiàn)跑偏，堆煤及煙霧等故障，都會降低運(yùn)輸能力，甚至是停產(chǎn)，從而造成比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是毀壞設(shè)備，危及財產(chǎn)和生產(chǎn)等重大事故。

本文以國內(nèi)某煤礦作背景開展研究，根據(jù)生產(chǎn)場地要求及井下作業(yè)狀況，把通信、計算機(jī)、傳感以及PLC等技術(shù)結(jié)合，設(shè)計研發(fā)一套可以對井下運(yùn)行的皮帶機(jī)進(jìn)行在線狀態(tài)實時監(jiān)測的系統(tǒng)[1]。

1 皮帶機(jī)相關(guān)系統(tǒng)特征和問題

1.1 皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)

皮帶機(jī)主要由輸送帶、托輥、機(jī)架以及驅(qū)動、清掃和保護(hù)及拉緊等裝置構(gòu)成，如圖1所示。皮帶機(jī)出現(xiàn)故障的主要部位是驅(qū)動裝置，其主要功能是給皮帶提供動力牽引，使其運(yùn)行正常。驅(qū)動裝置的主要構(gòu)造包括電動機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、液力器和制動器等。

皮帶機(jī)工作運(yùn)行的原理：輸送帶纏繞滾筒傳動，滾筒改向，滾筒拉緊成環(huán)狀，拉緊裝置給皮帶機(jī)傳遞適合的張力，如果皮帶機(jī)運(yùn)行正常，驅(qū)動裝置帶動滾筒，然后借助滾筒和輸送帶之間產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)使皮帶機(jī)不間斷連續(xù)運(yùn)行[2]。

1.2 存在問題及解決方向

（1）不平衡問題。在皮帶輸送機(jī)使用中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心及零部件損失。經(jīng)實踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，安裝及加工中的誤差或是不均的材質(zhì)是造成轉(zhuǎn)子發(fā)生質(zhì)量偏心的主要原因。

（2）不對中問題。皮帶機(jī)在運(yùn)行中受到高載荷的影響，導(dǎo)致軸承與聯(lián)軸器以及傳動軸變形等。

（3）油膜振蕩問題。一般是受軸承滑動油膜所引發(fā)的自激性振動，在達(dá)到一定轉(zhuǎn)數(shù)值的時候，轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)半速渦動，在轉(zhuǎn)速達(dá)到2倍以上時產(chǎn)生共振，表現(xiàn)出來的就是強(qiáng)振動現(xiàn)象。

皮帶輸送機(jī)在系統(tǒng)中存在的這些問題會導(dǎo)致跑偏、煙霧、速度不穩(wěn)定等故障，這些故障能夠通過檢測系統(tǒng)直觀清晰地監(jiān)測到。所以，對皮帶機(jī)運(yùn)營過程的檢測，能夠預(yù)防事故發(fā)生，或在發(fā)生事故時及時準(zhǔn)確地找到故障發(fā)生的部位及類型，并能夠在最快時間維修，從而有力地保障煤炭生產(chǎn)[3]。

2 皮帶傳輸機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)構(gòu)

2.1 檢測設(shè)計要求

要求能夠?qū)崿F(xiàn)下面功能：（1）實時監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行功能；（2）異常情況預(yù)警及發(fā)現(xiàn)故障報警功能；（3）設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)自動記憶記錄功能；（4）系統(tǒng)智能閱讀查詢功能；（5）設(shè)備故障快速診斷功能；（6）無線振動式傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

2.2 設(shè)計相關(guān)檢測功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括物理層、信息分析處理層和數(shù)據(jù)采集和傳輸層3個部分。

（1）物理層的主要構(gòu)成包括振動、溫度以及保護(hù)設(shè)備傳感器。主要的功能是實現(xiàn)皮帶機(jī)各項現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)的信息采集。

（2）數(shù)據(jù)的采集層和傳輸層指的是井下PLC分站，由PLC同觸摸屏構(gòu)成。經(jīng)由PLC與擴(kuò)展模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)狀況的監(jiān)測及數(shù)據(jù)的分析處理，嵌入式觸摸屏負(fù)責(zé)呈現(xiàn)監(jiān)測畫面并保持與上位機(jī)之間通訊[4]。

（3）信息分析處理層也就是上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)對皮帶機(jī)實時狀態(tài)的顯示及信息記錄，查詢監(jiān)測歷史曲線和數(shù)據(jù)以及報表和報警等相關(guān)記錄，同時具備異常狀況預(yù)警和故障發(fā)生報警等功能。

該套監(jiān)測系統(tǒng)選用PLC控制和觸摸屏以及組態(tài)及通信等現(xiàn)代化技術(shù)，實現(xiàn)皮帶機(jī)井下運(yùn)行狀況的可視化遠(yuǎn)程監(jiān)測，組態(tài)系統(tǒng)界面直觀且操作方便[5]。

3 系統(tǒng)相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)及其原理

（1）該套系統(tǒng)硬件重要的組成部分包括井下和地面兩部分構(gòu)成，具體構(gòu)成如圖2所示。這兩個部分是經(jīng)以太網(wǎng)進(jìn)行連接的，井下狀況的監(jiān)測部分由3個分站構(gòu)成，每個分站的核心都是由PLC控制器完成，主要結(jié)構(gòu)一般分為安全型防暴隔離箱、礦用傳感器、觸摸屏以及PLC及擴(kuò)展功能模塊等部分[6]。

圖2 硬件系統(tǒng)組成

（2）工作原理。各傳感器對皮帶機(jī)運(yùn)行過程信息狀態(tài)進(jìn)行采集，采集的信號傳送于PLC，PLC對這些信息進(jìn)行運(yùn)算、處理、判斷、分析，實時對皮帶機(jī)進(jìn)行檢測，并且將各信息傳送于觸屏，由觸屏顯示出信息以供工作人員觀察，最后再由光纖傳送于地面上位機(jī)，最終達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。當(dāng)傳感器傳輸數(shù)據(jù)大于預(yù)警值時，系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警提示操作人員診斷。當(dāng)數(shù)據(jù)大于報警時，設(shè)備停機(jī)維修。

3.2 PLC及模塊控制原理

PLC采用西門子S7-200，震動傳感器監(jiān)測點(diǎn)選在減速器主軸前后軸承處、耦合器主軸前后軸承處、電機(jī)主軸前后軸承處，共有6個檢測點(diǎn)，每個傳感器對水平X方向、垂直Y方向進(jìn)行測量。系統(tǒng)需要24個傳感器，所以要用24路輸入的模擬量，需要3個8路西門子EM231模塊來實現(xiàn)[7]。

溫度傳感器測試點(diǎn)在電機(jī)主軸前后，每個采區(qū)有2個電機(jī)，所以要用4個傳感器及1個EM231模塊。

開關(guān)輸入為7個按鈕輸入、1個傳感器速度開關(guān)輸入、4個傳感器煙霧開關(guān)輸入、6個傳感器撕裂開關(guān)輸入、2個傳感器堆煤開關(guān)輸入、6個傳感器跑偏開關(guān)輸入。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 組態(tài)軟件MCGS相關(guān)設(shè)計

工控MCGS組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)快速搭建監(jiān)測系統(tǒng)，可以提供給用戶工程實際問題相關(guān)的設(shè)計方案及開發(fā)平臺，能實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)實時處理、安全報警機(jī)制、畫面顯示、報表輸出及流程控制等相關(guān)的功能。

4.2 相關(guān)PLC程序設(shè)計

系統(tǒng)選用S7-200西門子編程軟件，控制臺上安裝5個監(jiān)測控制按鈕，分別是顯示主界面、實時曲線、歷史報表和報警記錄的按鈕，還有輪詢按鈕等。操作人員就是通過操作這些功能按鈕來完成工作任務(wù)的。

（1）系統(tǒng)模數(shù)程序轉(zhuǎn)換

通過振動和溫度兩個傳感器輸出電流信號，PLC處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)必須是數(shù)字量，傳感器輸出的模擬信號大都是4～20 mA電流或者是0～5 V電壓，所以系統(tǒng)采集的信號一定要通過A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后PLC才可以處理，經(jīng)由EM231完成模數(shù)的信息轉(zhuǎn)換，最終得出實際需要工程值[8]。

（2）系統(tǒng)預(yù)警及報警的相關(guān)設(shè)計

系統(tǒng)經(jīng)過對皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行參量的實時監(jiān)測，經(jīng)過比較和分析實現(xiàn)預(yù)警及報警。當(dāng)模擬量數(shù)值比預(yù)警值高時，表示系統(tǒng)出現(xiàn)異常，這時系統(tǒng)開始預(yù)警；當(dāng)數(shù)值超出報警值時，系統(tǒng)就會通過聲光進(jìn)行報警并同時停機(jī)，以便開展維修[9]。

（3）系統(tǒng)對狀態(tài)的監(jiān)測

將系統(tǒng)采集的參數(shù)值和預(yù)先設(shè)置好的預(yù)警及報警的值加以比較，若監(jiān)測參量沒有超過設(shè)定范圍，表示皮帶運(yùn)輸機(jī)狀況良好；若超出預(yù)警及報警范圍值，表示皮帶運(yùn)輸機(jī)工作異常。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)PLC程序?qū)ζC(jī)進(jìn)行監(jiān)控，從而掌握了解運(yùn)行的皮帶機(jī)使用狀態(tài)，預(yù)測、評價皮帶機(jī)使用的可靠性以及能夠預(yù)見可能發(fā)生的故障，并能夠?qū)收洗笮?、部位、原因進(jìn)行分析甄別，以及達(dá)到對故障發(fā)展進(jìn)行預(yù)測，從而節(jié)約維修所用時間。系統(tǒng)能夠達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控皮帶機(jī)運(yùn)營可視管理，進(jìn)而確保皮帶機(jī)穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，提升了煤炭設(shè)備自動化、信息化的水平，從而為煤炭企業(yè)的發(fā)展提供了良好的動力。