礦用帶式輸送機(jī)工況運行實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

李海兵

（山西晉煤集團(tuán)金鼎煤機(jī)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

引言

帶式輸送機(jī)與其他輸送方式相比具有連續(xù)運行能力、運輸能力強、長途運輸能力突出、效高、易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點。中國作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭生產(chǎn)安全一直是一個突出問題，其也被認(rèn)為是全國安全生產(chǎn)管理場所的首要任務(wù)[1]。帶式輸送機(jī)事故將嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅一線作業(yè)人員生命安全。因此，帶式輸送機(jī)的異常檢測有助于減輕損害甚至避免可能發(fā)生的事故，智能監(jiān)測系統(tǒng)的有效方法和技術(shù)對煤礦生產(chǎn)安全具有重要意義。通過分析帶式輸送帶的主要事故類型及其原因，研究了現(xiàn)有的監(jiān)測帶式輸送機(jī)異常的方法和技術(shù)，提出了一種新型的煤礦帶式輸送機(jī)實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用計算機(jī)視覺方法來監(jiān)控帶式輸送機(jī)事故，并觸發(fā)警報或發(fā)出信號，在必要時停止輸送帶的進(jìn)一步移動，提升了礦井管理的安全化水平。

1 帶式輸送機(jī)故障原因分析

1.1 水煤和碎煤的積累

目前，我國采用的煤礦輸送帶有兩種主要類型，其中一種是固體編織防火輸送帶（MT914），第二種是鋼繩防火輸送帶。此外，固體編織防火輸送帶主要為塑料表面全芯防火帶（聚氯乙烯型）和橡膠表面全芯防火帶（PVG 型）。煤礦實用編織防火輸送帶比例達(dá)80%以上[2]。如果水煤過多，很可能會導(dǎo)致皮帶滑動、輸送機(jī)尾部的粉煤以及其他事故發(fā)生。此外，在輸煤過程中，由于水煤與輸送帶摩擦小，水煤在輸送機(jī)尾部堆積，最終坍塌，嚴(yán)重威脅礦山生產(chǎn)安全。

1.2 皮帶縱向和橫向斷裂

鋼繩帶通常只采用熱固化方式。機(jī)械接縫方法方便、經(jīng)濟(jì)，但接頭容易損壞，而且非常低效，其強度相當(dāng)于皮帶的28%～45%[3]。實踐表明，熱固化縫是保證輸送帶高效、質(zhì)量穩(wěn)定、壽命長的最佳方法，提供相當(dāng)于皮帶60%～80%的強度。由于接頭強度相對較低，接頭通常是輸送帶中最弱的部分。因此，該條帶的橫向斷裂主要發(fā)生在關(guān)節(jié)處。

傳送帶中的弱點仍然是它們對切割、撕裂和沖擊的不良阻力，這大大降低了它們的使用壽命?？v向撕裂是對輸送帶造成最有害的破壞形式之一，主要由輸送煤與外來重、尖銳物，如廢石、鐵棒等混合引起。

2 實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)帶式輸送機(jī)的常見故障，在分析現(xiàn)有煤礦輸送帶監(jiān)測和保護(hù)技術(shù)及系統(tǒng)局限性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于機(jī)器視覺的實時監(jiān)控系統(tǒng)。原理是采用專業(yè)攝像機(jī)監(jiān)控煤礦輸送帶事故導(dǎo)致帶縱撕裂、橫向斷裂等主要因素，然后通過高清圖像處理檢測可能出現(xiàn)的異物、水煤、碎煤堆積等異常和帶損壞。其目標(biāo)是及時檢測可能損壞輸送帶的異常情況，以便系統(tǒng)能夠發(fā)出預(yù)警，并根據(jù)風(fēng)險級別關(guān)閉輸送系統(tǒng)[4]。

系統(tǒng)的架構(gòu)如下頁圖1 所示。系統(tǒng)包含11 個功能模塊，包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、圖像識別模塊、智能監(jiān)控報警模塊、數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)管理模塊、機(jī)械橋調(diào)整模塊、照明模塊、同步控制器模塊、電氣控制箱模塊、數(shù)據(jù)通信控制模塊、外部接口模塊。

圖1 實時監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測流程

1）第一步是初始化整個監(jiān)控系統(tǒng)。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)與攝像機(jī)、照明模塊必須相互協(xié)調(diào)、同步工作。

2）CCD 攝像機(jī)拍攝實時帶式傳送機(jī)工作現(xiàn)場的圖像。

3）獲得的實時圖像被發(fā)送到計算機(jī)進(jìn)行圖像處理。圖像處理有三個主要步驟，包括區(qū)域分析、對比度分析和梯度分析。圖像處理后，準(zhǔn)備進(jìn)行圖像識別。

4）在圖像識別步驟中，可以識別異常和失敗特征。在這種情況下，斑點特征檢測器通過模式匹配尋找尖銳物體。

5）智能監(jiān)控報警模塊接收從圖像識別模塊發(fā)送的檢測結(jié)果。然后，根據(jù)基于預(yù)定義的異常規(guī)則來評估檢測結(jié)果的危險水平。評估為2 級，這意味著對皮帶健康造成潛在危害。

6）根據(jù)異常的危險程度采取響應(yīng)措施。在這種情況下，會觸發(fā)警報，以便帶式輸送機(jī)操作員能夠迅速注意。

3 實時監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、PLC、總線通信和觸摸屏。實時監(jiān)測系統(tǒng)使用西門子S7-300PLC。電源系統(tǒng)由一個隔離變壓器和PS307 組成[5]。CPU 模塊使用CPU315-2DP。各組件通過現(xiàn)場總線與監(jiān)控系統(tǒng)連接。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)示意圖

S7-300 系列PLC 設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)。每個模塊都可以被組合和擴(kuò)展。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計更加靈活，能夠滿足不同的應(yīng)用要求。模擬工具用于可視化過程。它是一個簡單而高性能的觸摸屏可見軟件。觸摸屏可通過通信設(shè)置與PLC 交換數(shù)據(jù)。

3.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計由PLC 程序設(shè)計和觸摸屏設(shè)計兩部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)有三種工作模式。集中控制模式下，帶式輸送機(jī)和給煤機(jī)將聯(lián)合作業(yè)。同時，還需輸入各類保護(hù)裝置。在本地控制模式下，機(jī)器由手動按鈕控制，操作員可以通過PLC 按下。各種保護(hù)裝置也被輸入進(jìn)來。在維護(hù)條件下，皮帶和給煤機(jī)也由手動按鈕控制。是否需要輸入保護(hù)裝置，操作人員可在觸摸屏中選擇。

系統(tǒng)工作模式由控制臺上的三個位置選擇器開關(guān)選擇。每次只能選擇一種工作模式。當(dāng)皮帶和給煤機(jī)運行時，不能改變工作模式。觸摸屏中的指示燈可指示當(dāng)前的工作模式。

軟件程序梯形圖如圖3 所示。I0.0、I0.1、I0.2 分別為集中控制、本地控制和維護(hù)模式的信號[6]。當(dāng)在任何工作模式下發(fā)出啟動信號Q0.2 時，不能選擇其它模式。M0.7、M0.6、M0.5 是三種方式自我保存的信號。常閉節(jié)點M0.0 不用于控制。

圖3 實時監(jiān)測系統(tǒng)程序梯形示意圖

4 控制系統(tǒng)的仿真與測試驗證

STEP7 是一個可選的模擬軟體工具。它可以在PC 機(jī)上模擬S7-300 系列CPU 的運行。它可以像真正的硬件一樣進(jìn)行下載、測試和故障診斷。它具有方便、安全的優(yōu)點，非常適合于初步的工程調(diào)試。初始接口具有模擬CPU 面板的CPU，并具有狀態(tài)指示燈和模擬選擇開關(guān)。

仿真模型與實際系統(tǒng)存在一定的差異。如果模擬CPU 轉(zhuǎn)換為停止，則輸出不會改變，和實際條件一樣不具備暫停和繼續(xù)的功能。執(zhí)行模式為單周期，計時器是手動設(shè)置的。修改后的變量值將立即生效，而不是等待下一個周期。下頁圖4、圖5、圖6 為帶式輸送機(jī)與給煤機(jī)局部啟動時，皮帶縱向撕裂故障的信號感應(yīng)過程。系統(tǒng)有2 個輸入和3 個輸出。I0.1 是本地控制模式。帶式輸送機(jī)和給煤機(jī)均采用I0.3 啟動，相應(yīng)的指示燈即可工作。在啟動方式下，I0.3 發(fā)出縱向撕裂故障信號，相應(yīng)的系統(tǒng)發(fā)出緊急停車信號Q0.3，使運輸系統(tǒng)緊急停車，滿足了實際工程作業(yè)的需要。

圖4 帶式輸送機(jī)和給煤機(jī)啟動

圖5 帶式輸送機(jī)縱向斷裂信號發(fā)送示意圖

圖6 帶式輸送機(jī)和給煤機(jī)以集中控制模式再啟動

5 結(jié)論

本文設(shè)計的基于西門子S7-300PLC 的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的實時性能、高可靠性、方便未來的擴(kuò)展和自動監(jiān)控等優(yōu)點。本文從PLC 模塊選擇和程序設(shè)計兩個方面詳細(xì)介紹了監(jiān)控系統(tǒng)變電站的設(shè)計。在設(shè)計完成后，運用PLCSIM 軟件進(jìn)行了仿真試驗。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)功能滿足設(shè)計要求，能夠滿足工程的實際應(yīng)用條件。