煤礦刮板運(yùn)輸機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田嘉俊， 任利冬， 龐啟云

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金達(dá)煤業(yè)有限公司， 山西 孝義 032300）

引言

煤炭是我國(guó)消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比最多的能源之一，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭生產(chǎn)過(guò)程的安全性與可靠性將關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性[1]。綜采工作面逐漸向自動(dòng)化、無(wú)人化與智能化方向發(fā)展，但是由于工作面環(huán)境復(fù)雜，隨著采掘過(guò)程的推進(jìn)，對(duì)工作面機(jī)電設(shè)備的工作性能提出了很高的要求[2-3]。刮板輸送機(jī)為綜采三機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一，負(fù)責(zé)工作面煤炭的運(yùn)輸工作，為了實(shí)現(xiàn)煤炭的高效、安全開采，應(yīng)當(dāng)保證刮板輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性[4-5]。本文設(shè)計(jì)了一種煤礦刮板輸送機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便井上與井下工作面的信息傳輸與調(diào)度指揮工作。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分

1.1 硬件整體結(jié)構(gòu)（見圖1）

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由PLC 處理器、工控上位機(jī)、供電單元、存儲(chǔ)單元、驅(qū)動(dòng)單元、觸摸屏、報(bào)警裝置與傳感器單元等組成。傳感器采集刮板輸送機(jī)工作參數(shù)與各零部件環(huán)境參數(shù)等，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絇LC 處理器。PLC 通過(guò)分析數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行工況，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元與報(bào)警裝置控制電機(jī)的啟停與故障的報(bào)警。系統(tǒng)具有存儲(chǔ)單元與觸摸屏，方便操作人員對(duì)設(shè)備工況的直觀監(jiān)測(cè)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整設(shè)定。PLC 處理器作為監(jiān)控分站安裝于井下，工控上位機(jī)安裝于井上，通過(guò)以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸共享。為了減小頻繁啟動(dòng)對(duì)設(shè)備的沖擊，系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)變頻驅(qū)動(dòng)單元，利用液力耦合器連接電機(jī)與減速器，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

1.2 主要硬件設(shè)備選型

PLC 處理器通過(guò)邏輯掃描運(yùn)行內(nèi)存中的程序，具有編程簡(jiǎn)單、體積小、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。本文選用西門子S7-300 型PLC，由CPU 模塊、以太網(wǎng)通信模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊與模擬量輸入模塊等組成。觸摸屏選用MCGS 觸摸屏，具有以太網(wǎng)接口、RS485與RS232 接口、兩個(gè)USB 接口，采用24 V 直流電源供電，通過(guò)嵌入式組態(tài)軟件可將界面下載到觸摸屏，完成數(shù)據(jù)的采集記錄等工作。工控上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控作用，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與打印功能，系統(tǒng)選用IPC-610H 型上位機(jī)，具有19 寸彩色顯示器，主頻3 GHz，組態(tài)軟件為FC V7.0，編程方式靈活，可提高系統(tǒng)的監(jiān)控效率[7-8]。

1.3 傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的選型

傳感器單元所需采集的信號(hào)主要有位移信號(hào)、速度信號(hào)與溫度信號(hào)等。刮板鏈的運(yùn)行狀態(tài)主要可通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)刮板通過(guò)某個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔判斷。本系統(tǒng)在機(jī)頭、機(jī)尾與中間部分安裝三個(gè)電刷，通過(guò)PLC 控制器直接供電，當(dāng)刮板鏈正常工作時(shí)，兩個(gè)刮板鏈通過(guò)電刷的時(shí)間間隔為固定范圍，當(dāng)時(shí)間間隔超出范圍后，判定刮板鏈故障。系統(tǒng)利用磁致伸縮位移傳感器，監(jiān)測(cè)機(jī)頭機(jī)尾的翹翻故障，當(dāng)檢測(cè)到機(jī)頭或機(jī)尾離地超過(guò)200 mm 時(shí)，系統(tǒng)判定發(fā)生故障。

系統(tǒng)采用PT100 型熱敏電阻溫度傳感器測(cè)量電機(jī)的溫度信號(hào)，可測(cè)溫范圍0～200 ℃，主要測(cè)量電機(jī)的軸承與繞線部位，當(dāng)電機(jī)溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，判定電機(jī)過(guò)熱故障。系統(tǒng)通過(guò)在減速器機(jī)箱下螺紋孔內(nèi)安裝溫度傳感器，測(cè)量減速器的油溫信號(hào)，當(dāng)溫度超過(guò)90 ℃時(shí)，系統(tǒng)判定減速器油溫過(guò)高。系統(tǒng)選用GUY30 液位傳感器監(jiān)測(cè)減速器內(nèi)潤(rùn)滑油的液位高度，從而判定是否發(fā)生漏油故障。系統(tǒng)采用GMP-D轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速，判斷電機(jī)是否無(wú)法正常啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量范圍為0～2 000 r/min。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分

本文利用博途V14 軟件對(duì)PLC 程序進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，利用模塊化編程方式，采用直觀的梯形圖編譯。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定、信號(hào)采集監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制與報(bào)警等功能，系統(tǒng)主程序流程圖如圖2 所示。系統(tǒng)初始化為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到刮板鏈速大于1 m/s，信號(hào)采集設(shè)備與通訊系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)初始化完成，否則需對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行解決與處理。在刮板機(jī)正常運(yùn)行期間，系統(tǒng)通過(guò)各傳感器單元實(shí)時(shí)采集刮板鏈速、電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速、電機(jī)工作溫度、減速器內(nèi)潤(rùn)滑油溫度與液位高度等信號(hào)，通過(guò)與系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)定值比較，從而判斷刮板輸送機(jī)是否發(fā)生故障及故障類型與部位。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到故障發(fā)生時(shí)，PLC 通過(guò)報(bào)警裝置，以警示燈閃爍與鳴笛的方式向工作人員發(fā)出警告，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元控制刮板機(jī)減速停機(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)綜采工作面刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)通訊完成井上的遠(yuǎn)程調(diào)度指揮工作。系統(tǒng)利用傳感器單元采集刮板輸送機(jī)各故障信號(hào)，通過(guò)PLC 控制器與軟起動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)故障在線診斷與控制功能，為刮板輸送機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)保障。

圖2 系統(tǒng)軟件主程序