煤礦綜采工作面運(yùn)輸設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈志鋒

(山西柳林鑫飛毛家莊煤業(yè)有限公司 ，山西 柳林 033300)

0 引言

綜采工作面運(yùn)輸設(shè)備是井下大型綜采設(shè)備的重要組成部分之一，主要由運(yùn)送原煤及作為采煤機(jī)移動軌道的刮板輸送機(jī)、對體積較大煤塊進(jìn)行破碎的破碎機(jī)以及將破碎后煤塊運(yùn)輸至皮帶運(yùn)輸機(jī)的轉(zhuǎn)載機(jī)組成[1-3]。由于這些運(yùn)輸設(shè)備的安全高效運(yùn)行會對井下煤炭開采效率產(chǎn)生直接影響，因此通過遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)對運(yùn)行中的綜采工作面運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和故障預(yù)警診斷對于降低綜采運(yùn)輸設(shè)備故障率、提高煤炭輸送效率具有重要意義。由于國內(nèi)針對綜采面運(yùn)輸設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)研究起步較晚，多數(shù)中小型煤礦仍采用20世紀(jì)90年代空分制的監(jiān)控系統(tǒng)，智能化程度低下，監(jiān)測設(shè)備安裝與調(diào)試過程十分繁瑣。此外每次維護(hù)時(shí)都需要工作人員停機(jī)后在井下進(jìn)行程序更新，工作量較大，需耗費(fèi)大量人力資源[4，5]。同時(shí)由于監(jiān)測系統(tǒng)的每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都需要一根電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，故可監(jiān)測的參數(shù)十分有限，且采集信號的實(shí)時(shí)性較差，抗干擾能力較弱，無法對多個(gè)運(yùn)輸設(shè)備實(shí)施一體化的全面監(jiān)控和管理。國內(nèi)許多企業(yè)積極研發(fā)了各類監(jiān)測系統(tǒng)，例如采用Zigbee等無線信號傳輸方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測，但仍存在故障定位精確度不高、數(shù)據(jù)互聯(lián)性較差、系統(tǒng)功能單一等缺陷。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套以PLC為控制核心的煤礦綜采面運(yùn)輸設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障預(yù)警診斷，具有監(jiān)測功能較強(qiáng)、監(jiān)測量較全、通訊性能良好等優(yōu)點(diǎn)[6，7]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

綜采工作面運(yùn)輸設(shè)備在井下較惡劣的工作環(huán)境中長期高負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)備內(nèi)部主要部件容易發(fā)生各類故障，本系統(tǒng)主要設(shè)有以下幾個(gè)狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn)：針對減速器設(shè)有軸承溫度、油位、油溫等檢測點(diǎn)；針對電機(jī)設(shè)有電機(jī)繞組溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子軸溫度等監(jiān)測點(diǎn)；針對冷卻系統(tǒng)設(shè)有冷卻水壓力、水位、流量等監(jiān)測點(diǎn)。通過以上監(jiān)測點(diǎn)對運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并上傳至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，可以更直觀地查看運(yùn)輸設(shè)備是否處于健康運(yùn)行狀態(tài)，確保運(yùn)輸設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)上述對監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置，本文采用主從結(jié)構(gòu)對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，主要包括地面監(jiān)控層、井下監(jiān)測層和現(xiàn)場設(shè)備層，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面監(jiān)控層主要由上位機(jī)和服務(wù)器組成，用于各運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的動態(tài)顯示及故障預(yù)警；井下監(jiān)測層是該系統(tǒng)的核心部分，每個(gè)運(yùn)輸設(shè)備的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測分站，可對減速器、電動機(jī)、耦合器等主要部件進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)上傳，各分站的數(shù)據(jù)最終匯集至監(jiān)測主站實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度管理，并通過監(jiān)測主站與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；現(xiàn)場設(shè)備層主要包括安裝在運(yùn)輸設(shè)備上的各類傳感器，用于實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)

該監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心選用S7-300可編程控制器，監(jiān)測主站的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主站PLC的CPU選用315-2PN/DP模塊，其內(nèi)部集成了多路數(shù)字量及模擬量輸入輸出模塊，可用于各類監(jiān)測信號、報(bào)警信號及控制信號的輸入輸出，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)；同時(shí)該CPU內(nèi)部具有3個(gè)以上RS485通訊接口，兼容Modbus及Profibus等井下常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，CPU通過內(nèi)部通訊模塊與人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而對各運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及運(yùn)行參數(shù)修改保存。除人機(jī)界面外，系統(tǒng)配備的無線遙控器可通過CPU的數(shù)字量接口對運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)參數(shù)修改，無需通過防爆殼上的按鈕進(jìn)行操作，整體安全性與便利性大大提高。

圖2 監(jiān)測主站硬件結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測從站對I/O接口特性的需求與監(jiān)測主站基本相同，由于需要對大量傳感器信號進(jìn)行采集，因此從站對模擬量輸入點(diǎn)的需求較主站更多，標(biāo)準(zhǔn)配置下單個(gè)從站的模擬量輸入端的數(shù)量需≥10個(gè)，信號類型以4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號為主，監(jiān)測從站硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測從站硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3中，現(xiàn)場設(shè)備層的溫度、壓力、流量等各類傳感器用于就地采集運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，傳感器的合理選型對于數(shù)據(jù)采集精確度至關(guān)重要。為了監(jiān)測減速器及電動機(jī)軸承、繞組等的溫度，本文選用PT100三線制鉑熱電阻作為溫度傳感器，其溫度測量范圍為-200 ℃～+850 ℃，精度選擇為A級±0.15 ℃，可滿足本系統(tǒng)需求。

根據(jù)對監(jiān)測對象油位與壓力的分析，減速器的油位通常不高于50 cm，壓力大約為4 kPa，因此本文選用PT20MS表壓型壓力變送器，其量程為0～0.1 MPa～10 MPa，測量精度為±0.5%，可滿足測量需求。

為了監(jiān)測減速器內(nèi)冷卻水流量，本文選用LWGY-FMT型渦輪流量計(jì)，適用的介質(zhì)黏度小于5×10-6m2/s，公稱壓力為1.6 MPa～2.5 MPa，所測量介質(zhì)溫度為-20 ℃～+120 ℃，可滿足本系統(tǒng)的監(jiān)測需求。

為了避免采煤機(jī)在運(yùn)行途中與刮板輸送機(jī)的機(jī)頭或機(jī)尾相撞，需要對兩者距離進(jìn)行準(zhǔn)確測量[8]。本文選用GJJ10型礦用激光測距傳感器，其測量范圍為0.5 m～10 m，測量誤差≤0.5%，測量分辨率為1 mm，還可根據(jù)紅外線設(shè)置各種參數(shù)。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括監(jiān)測主站程序及監(jiān)測從站程序設(shè)計(jì)等，其中監(jiān)測主站程序在完成初始化后依次執(zhí)行與從站建立通訊并讀取相應(yīng)的測量值及預(yù)警值、與上位機(jī)進(jìn)行通訊并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，最終根據(jù)采集結(jié)果執(zhí)行人機(jī)交互子程序與預(yù)警判斷子程序，監(jiān)測主站主程序流程如圖4所示。

監(jiān)測從站程序在初始化完成后依次執(zhí)行監(jiān)測主站通訊建立、各傳感器所傳輸?shù)臄?shù)字量及模擬量的采集、與人機(jī)交互界面建立通訊并實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)及報(bào)警值，最后當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)執(zhí)行報(bào)警子程序進(jìn)行報(bào)警。監(jiān)測從站主程序流程如圖5所示。

圖4 監(jiān)測主站主程序流程圖 圖5 監(jiān)測從站主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)煤礦綜采工作面運(yùn)輸設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，以PLC為控制核心并結(jié)合傳感器及Modbus通訊技術(shù)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測需求開發(fā)了一套監(jiān)測數(shù)據(jù)全面、運(yùn)行可靠性較高的綜采面運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過主從站PLC控制單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及故障報(bào)警，保證了運(yùn)輸設(shè)備在遠(yuǎn)程監(jiān)測情況下安全可靠運(yùn)行。