皮帶運輸機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)的研究

石 峰

（汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司營運分公司，山西 介休 032000）

引言

皮帶輸送機是礦井煤炭運輸?shù)闹饕O備，其運行可靠性以及效率直接關系到煤炭的開采效率[1-2]。隨著礦井采面斜長、推進距離以及回采速度的不斷增加，皮帶輸送機運輸長度、負載等均隨之加大[3]。皮帶輸送機工作環(huán)境較為惡劣，加之負載較大，在使用過程中容易出現(xiàn)縱向撕裂、斷裂、皮帶打滑、跑偏等故障。皮帶輸送機故障發(fā)生具有突發(fā)性并會影響設備使用效率及壽命[4-5]。因此，對皮帶輸送機運行進行監(jiān)測對增強皮帶輸送機運行可靠性、降低故障發(fā)生率具有重要意義。

1 皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)的結(jié)構

1.1 總體結(jié)構

本文研究的皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)結(jié)構見圖1，整個監(jiān)控與保護系統(tǒng)結(jié)構包括地面監(jiān)控中心、工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)、PLC 控制器、CAN 總線、現(xiàn)場上位機以及監(jiān)測傳感器等[6-7]。地面監(jiān)控中心主要設備為主備用監(jiān)控PC、數(shù)據(jù)庫服務器、防火墻以及顯示屏等，監(jiān)控中心可實時顯示獲取到的皮帶輸送機運行狀況、顯示運行曲線以及運行畫面；工業(yè)以太網(wǎng)主要用以信息傳輸；井下PLC 控制器以及現(xiàn)場上位機等設備用以對傳感器獲取到的信息進行轉(zhuǎn)換、分析以及判斷，將監(jiān)測信息傳輸給地面監(jiān)控中心，當判斷皮帶輸送機運行存在故障時可及時發(fā)出預警信息提醒現(xiàn)場人員前去處理；現(xiàn)場布置的傳感器包括有保護開關、各類監(jiān)測傳感器以及防爆攝像頭等，傳感器監(jiān)測獲到的信息以CAN 總線為通道傳輸給PLC 控制器，當監(jiān)測到皮帶輸送機關鍵點存在故障時則PLC 控制器會向皮帶輸送機發(fā)出停機指令。

圖1 皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)結(jié)構

1.2 硬件設備選型

皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)硬件設備主要為主控制器以及各類傳感器。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，對選用的主控制器穩(wěn)定性及可靠性有較高要求，為此，文中采用的主控制器型號為S7-1200PLC。該控制器中央處理模塊為CPU1214C，配套使用的輸入、輸出模塊分別為SM1231、SM1223，用以采集數(shù)字信號、輸出控制信號；現(xiàn)場采用CSM1277 通信模塊實現(xiàn)現(xiàn)場上位機、PLC 控制器間的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控與保護單元主要由各類傳感器以及保護開關等構成，具體采用的傳感器類型包括有速度、溫度、張力、振動、縱向撕裂傳感器等。

1）皮帶輸送機運行時需要對驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶帶速等進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果可直接用以輸送帶打滑、斷裂、改向滾筒故障等診斷。速度監(jiān)測選用的傳感器類型為KGS2，將速度傳感器分別布置在驅(qū)動滾筒、改向滾筒以及輸送帶下方對滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶帶速進行測定。

2）選用的振動傳感器型號為CYT9200，將傳感器布置在減速器外殼上可實時對驅(qū)動滾筒、減速器等振動信號進行監(jiān)測。

3）選用的溫度傳感器型號為PT100，具體溫度傳感器安裝在皮帶輸送機上以及運輸巷道內(nèi)兩個位置，具體在皮帶輸送機電機軸承、滾筒軸瓦、電機繞組等位置布置溫度傳感器以便對輸送機關鍵位置溫度進行監(jiān)測；在巷道內(nèi)布置溫度傳感器對輸送帶異常摩擦或者電機故障導致的火災事故進行監(jiān)測。

4）選用的張力傳感器型號為Celtron STC，將張力傳感器布置在張緊裝置、皮帶輸送機機尾滾筒間，用于對輸送帶張力故障進行診斷。

5）保護開關。選用的保護開關包括有撕裂、跑偏、煙霧、堆煤以及急停等。選用的撕裂保護開關型號為KPJ1A，將其布置在落料口位置用以對撕裂故障進行保護；選用的跑偏開關型號為KGE9A 型，分別在機尾、機身兩側(cè)布置，用以對輸送帶跑偏監(jiān)測及保護；煙霧保護開關型號為KGV1 型，布置在被保護裝置下風口5～50 m 位置；堆煤保護開關型號為GUJ35，安裝在輸送機搭接位置，當發(fā)現(xiàn)堆煤時堆煤保護開關即刻動作；急停保護開關型號為KPG3，間隔一定距離在皮帶輸送機沿線上布置，實現(xiàn)輸送機緊急停車。

6）布置的攝像頭型號為KBA4A 型，該攝像頭具有故障發(fā)生率低、體積小、維護方便等優(yōu)點，可滿足皮帶輸送機沿線監(jiān)控需要。攝像頭獲取到的畫面可通過光纖網(wǎng)絡傳輸給地面監(jiān)控中心。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

2.1 下位機監(jiān)控程序

井下現(xiàn)場布置的下位機為S7-1200 系列PLC，該控制器可通過編譯軟件進行程序設計。具體控制程序設計依據(jù)故障監(jiān)測流程編寫，并依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測以及保護需要，在編寫軟件時應具備皮帶輸送機運行工況、故障診斷、報警以及綜合保護等功能?，F(xiàn)場主機具有的控制程序包括有CAN 總線通信程序、聲光報警程序、系統(tǒng)保護程序、初始化程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序以及停機控制程序等。

2.2 上位機監(jiān)控程序

現(xiàn)場布置的上位機裝置監(jiān)控軟件使用CGS 組態(tài)軟件編制，軟件整體呈現(xiàn)模塊化風格，并可以曲線以及動畫形式直觀地實現(xiàn)傳感器監(jiān)測結(jié)果。現(xiàn)場工作人員可依據(jù)監(jiān)控畫面以及畫面變化情況實時掌握皮帶輸送機運行情況。PLC 控制器與現(xiàn)場上位機間采用以太網(wǎng)方式傳。上位機監(jiān)控程序包括有主界面、系統(tǒng)菜單、數(shù)據(jù)顯示、報警窗口以及故障診斷界面等組成，具體上位機監(jiān)控程序結(jié)構框圖見圖2 所示。通過上位機監(jiān)控程序可對傳感器報警閾值進行設定，當傳感器監(jiān)測值超過設定閾值后上位機即會發(fā)出報警。

圖2 上位機監(jiān)控程序結(jié)構框圖

3 結(jié)語

為了減小礦井皮帶運輸機在現(xiàn)場使用過程中各類故障對輸送機運行影響，并降低故障發(fā)生率，設計了一種皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC 控制器為核心對輸送機上以及沿線布置的各類傳感器監(jiān)測結(jié)果進行分析、顯示，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對皮帶輸送機運行進行保護。同時在輸送機沿線布置的攝像頭可實現(xiàn)輸送機運行的實時監(jiān)測，提高帶式輸送機的工作效率及可靠性。