礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張 斌

(山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053)

0 引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)作為井下原煤運(yùn)輸最常用有效的重要設(shè)備，具有運(yùn)輸路徑長(zhǎng)、可靠性高、易于維護(hù)、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)[1]，其安全穩(wěn)定運(yùn)行及智能化控制對(duì)于提高煤礦開(kāi)采自動(dòng)化及安全水平具有舉足輕重的影響。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制運(yùn)行中的皮帶運(yùn)輸機(jī)對(duì)于井下安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)皮帶機(jī)所開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)大多存在著自動(dòng)化水平較低、系統(tǒng)功能簡(jiǎn)陋、可靠性較差等問(wèn)題[2-4]。由于國(guó)內(nèi)針對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)起步較晚，多數(shù)中小型煤礦仍以人工井下監(jiān)控為主，智能化程度低，需要大量人力，工作量較大，且井下工作環(huán)境惡劣，工作人員安全無(wú)法得到有效保障。同時(shí)皮帶機(jī)的運(yùn)輸效率受人為因素影響較大，控制及監(jiān)測(cè)信號(hào)只能就地顯示，無(wú)法對(duì)多個(gè)皮帶機(jī)實(shí)施一體化的全面監(jiān)控和管理。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套以PLC為控制核心的皮帶運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，將皮帶機(jī)的工況監(jiān)測(cè)、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、故障預(yù)測(cè)診斷、急停保護(hù)、自動(dòng)張緊及啟?？刂频裙δ芗谝惑w，具有監(jiān)測(cè)功能較強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、通訊性能良好和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

皮帶運(yùn)輸機(jī)在井下較惡劣的工作環(huán)境中長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行，容易發(fā)生運(yùn)輸帶打滑、跑偏、斷裂以及滾筒、電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件故障等問(wèn)題，因此確定監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的首要問(wèn)題就是需要明確系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)量。首先針對(duì)打滑問(wèn)題，需要對(duì)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]；針對(duì)溫度過(guò)高問(wèn)題，需實(shí)時(shí)采集滾筒的溫度；對(duì)電機(jī)、減速器等主要部件需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其電參數(shù)、振動(dòng)、溫度等參數(shù)；皮帶跑偏、撕裂、煤堆積等問(wèn)題則應(yīng)采用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集[6]。

根據(jù)上述對(duì)監(jiān)測(cè)需求的分析，本文采用集中-分布體系對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，主要包括上位機(jī)操作層、下位機(jī)控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)操作層主要用于皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的顯示以及利用人機(jī)交互界面向運(yùn)輸機(jī)下達(dá)操作命令，主要包括內(nèi)置監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器以及交換機(jī)[7]。下位機(jī)控制層主要用于安裝在皮帶機(jī)上各類(lèi)傳感器信號(hào)的收集與上傳，并根據(jù)上位機(jī)指令對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行控制，主要包括主站PLC和三個(gè)從站PLC，每個(gè)從站PLC各控制一臺(tái)皮帶機(jī)，最終通過(guò)以太網(wǎng)與主站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要包括安裝在皮帶機(jī)上的各類(lèi)傳感器及變頻器等器件，用于皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障情況的數(shù)據(jù)采集上傳以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)等控制功能。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由安裝在皮帶機(jī)上的各傳感器采集其運(yùn)行時(shí)的參數(shù)信息，隨后各傳感器將收集到的各狀態(tài)量傳輸至相應(yīng)從站PLC的輸入單元，從站PLC通過(guò)以太網(wǎng)與主站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)進(jìn)行反饋和顯示，最后由上位機(jī)對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分主要包括4個(gè)主從站PLC及用于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)采集的各類(lèi)傳感器，PLC與傳感器的合理選用是保證系統(tǒng)控制及采集參數(shù)可靠性的關(guān)鍵，因此需要進(jìn)行合理選型。系統(tǒng)控制核心選用S7-300可編程控制器，其中主站PLC的CPU模塊選用通用315-2PN/DP，其內(nèi)部集成了具有以太網(wǎng)協(xié)議的Profinet接口以及Profibus DP接口，與從站PLC通過(guò)以太網(wǎng)通訊時(shí)無(wú)需額外的擴(kuò)展模塊即可實(shí)現(xiàn)，其電源模塊選用PS307 10A型，其額定輸出電流為10 A。從站PLC需要收集傳感器所采集的各類(lèi)信號(hào)，因此除CPU及電源模塊外還需要模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)和SM332(AO)。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度，需要通過(guò)速度傳感器進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)。選用KGX-S1型速度傳感器，當(dāng)其采集到傳送帶速度信號(hào)時(shí)會(huì)與其額定轉(zhuǎn)速對(duì)比并判斷是否發(fā)生超速或打滑。

跑偏是皮帶機(jī)工作中最易出現(xiàn)的一種故障，本系統(tǒng)采用GEJ30礦用本安型跑偏傳感器對(duì)皮帶機(jī)的偏移狀態(tài)信息進(jìn)行采集，其動(dòng)作角度為(30±3)°，觸桿動(dòng)作力為20 N～100 N，復(fù)位角度為15°，具有兩極動(dòng)作、485通信及尋址功能，能夠可靠發(fā)送皮帶機(jī)的跑偏狀態(tài)及跑偏位置的地址信息。

為了防止運(yùn)輸帶摩擦起火和設(shè)備因高溫受到損毀，選用GWD100型礦用溫度傳感器對(duì)皮帶輸送機(jī)表面及沿線設(shè)備的溫度進(jìn)行檢測(cè)。GWD100的溫度測(cè)量范圍為0～100 ℃，顯示及輸出誤差均≤3%，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA電流信號(hào)，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)需求。

為了檢測(cè)皮帶機(jī)機(jī)頭處是否存在堆煤現(xiàn)象，選用GUJ30堆煤傳感器對(duì)皮帶輸送機(jī)的煤位保護(hù)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其接點(diǎn)容量為DC 12 V/0.5 A，接點(diǎn)接觸電阻≤0.1 Ω，動(dòng)作角度為30°±3°，探桿動(dòng)作力≤9.8 N，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)需求。

煙霧傳感器主要用于采集由運(yùn)輸帶打滑、線路起火等原因所導(dǎo)致的煙霧信號(hào)，從而預(yù)防井下的火災(zāi)事故發(fā)生[8]。選用GQL0.1-Y型煙霧傳感器，其動(dòng)作閾值為0.3 mg/m3，響應(yīng)時(shí)間≤60 s，其靈敏度和響應(yīng)速度都較為良好。

由于運(yùn)輸帶占整個(gè)皮帶機(jī)成本的40%～50%左右，因此運(yùn)輸帶撕裂是一種較為嚴(yán)重的故障，本系統(tǒng)采用GVD2000撕裂傳感器為皮帶機(jī)提供膠帶縱向撕裂保護(hù)，其動(dòng)作質(zhì)量為(2000±200)g/100 cm2，工作電壓為DC 12 V，工作電流≤0.5 A，信號(hào)輸出類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，接線方式為二線制，需通過(guò)數(shù)字量隔離電路接入到從站PLC的DI模塊中，接線方式如圖2所示。

圖2 撕裂傳感器接線圖

3 軟件方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一是對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制，當(dāng)系統(tǒng)初始化并檢查無(wú)故障之后，首先對(duì)啟動(dòng)方式進(jìn)行選擇，當(dāng)選擇自動(dòng)控制方式時(shí)，由程序控制皮帶機(jī)按“逆煤流”方向進(jìn)行啟動(dòng)，并按照皮帶機(jī)運(yùn)行速度分配延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間，停機(jī)則按“順煤流”方向進(jìn)行。當(dāng)皮帶機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，則啟動(dòng)故障停機(jī)處理，防止堆煤事故的發(fā)生，相應(yīng)啟動(dòng)程序流程如圖3所示。

圖3 皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)流程圖

監(jiān)控系統(tǒng)的第二大功能就是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的打滑、堆煤、超溫、煙霧等故障，并根據(jù)故障的嚴(yán)重性發(fā)出相應(yīng)的控制指令進(jìn)行報(bào)警、停機(jī)、啟動(dòng)灑水裝置等操作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備工況的自診斷功能，具體流程圖如圖4所示。

圖4 皮帶運(yùn)輸機(jī)故障診斷程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，以PLC為控制核心結(jié)合以太網(wǎng)通信及傳感器技術(shù)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)控需求設(shè)計(jì)了一套可靠性較高、功能較為全面的井下皮帶運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)主從站PLC控制單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮帶機(jī)的啟停調(diào)控和現(xiàn)場(chǎng)及工況參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和操控，可對(duì)煤炭運(yùn)輸中發(fā)生的各類(lèi)故障進(jìn)行及時(shí)的報(bào)警與處理，保證皮帶機(jī)在遠(yuǎn)程監(jiān)控情況下的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。