礦用帶式輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用

邢彧

（寧夏安標(biāo)檢驗認(rèn)證有限公司，寧夏 銀川 750000）

目前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，帶式輸送機(jī)常見的于電力、冶金、煤礦和港口等行業(yè)應(yīng)用中，造價低廉、可靠性高等優(yōu)勢已經(jīng)使其成為目前我國各個生產(chǎn)領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵裝備。目前我國帶式輸送機(jī)大約有200萬臺，其中煤礦作業(yè)過程占據(jù)大約120臺的使用量，在我國礦井建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的背景下，高帶速帶式輸送機(jī)已經(jīng)成為目前主流的井下輸送設(shè)備。礦井下工作環(huán)境的惡劣和復(fù)雜，要求輸送機(jī)的監(jiān)控與監(jiān)測系統(tǒng)能夠做到精準(zhǔn)、實時的要求，為避免安全事故的發(fā)生，如何去改造與升級目前的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)則成為目前礦產(chǎn)企業(yè)所注重的首要問題。

本文基于此背景，根據(jù)目前帶式輸送機(jī)所包含的監(jiān)控系統(tǒng)硬件與軟件兩大部分的優(yōu)化來對其監(jiān)測系統(tǒng)做出科學(xué)設(shè)計，在滿足井下工作安全性要求基礎(chǔ)上，為后續(xù)礦用帶式輸送機(jī)的自動控制系統(tǒng)改造與升級提供更加廣泛的設(shè)計。

1 礦用帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)研究價值

在實現(xiàn)礦用帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計期間，對其重要內(nèi)容進(jìn)行研究，可體現(xiàn)出以下幾點重要價值。

實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動。目前所應(yīng)用的帶式輸送機(jī)其內(nèi)部所使用的驅(qū)動電機(jī)是以工頻啟動的方式運行的，因此優(yōu)化設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效減少在生產(chǎn)期間電流在電機(jī)啟動過程對于電網(wǎng)沖擊的力度，并且其所具備的設(shè)計軟啟動裝置能夠?qū)⒏鱾€承載部件在啟動過程中所承受的動載荷進(jìn)行降低，延長部件的使用壽命。目前在市場上常見的軟啟動裝置主要包含液力型、液黏性、電氣型和機(jī)械式4種。另外，雖然使用高頻變壓器能夠促使其啟動曲線十分理想，但是關(guān)于其器械的關(guān)鍵技術(shù)依舊在目前被國外的企業(yè)所壟斷，使用成本過高，根本難以實現(xiàn)大規(guī)模的推廣與使用?，F(xiàn)階段國產(chǎn)的液力耦合器是我國最為常見的帶式輸送機(jī)調(diào)速裝置，其可滿足該機(jī)械對于精度要求不高的調(diào)速需求，且使用液力耦合器部件不僅能夠促使輸送帶在啟動過程得到理想的速度曲線，也可減少企業(yè)在該機(jī)械中的資金投入，降低設(shè)備改進(jìn)期間的工程量。

能夠促使多機(jī)驅(qū)動期間其功率保持在平衡狀態(tài)。目前基于技術(shù)的限制等原因，所使用的液力耦合器調(diào)節(jié)裝置也會存在一些不均勻的狀態(tài)，促使電機(jī)在實際運轉(zhuǎn)期間其功率出現(xiàn)較大的偏離，這種偏離會促使輸送帶的張力被重新分配，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電機(jī)被損壞，給井下作業(yè)帶來極大的事故隱患?；谀：刂扑惴ǖ谋尘跋拢丝梢员Ｕ蟽?yōu)化后的功率多機(jī)啟動平衡，不增加硬件成本，保障整個電機(jī)運行的可靠與安全性，并且也可在其他關(guān)于多機(jī)驅(qū)動設(shè)計領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用。

能夠保障帶式輸送機(jī)在運作期間可靠的設(shè)計井下作業(yè)的故障檢測設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)字圖像處理技術(shù)和DSP芯片技術(shù)高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的背景，作為故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計也被在帶式傳輸機(jī)運行中所重視。

可實現(xiàn)帶式輸送機(jī)FCS控制系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計。在未來自動化系統(tǒng)的發(fā)展別井下，F(xiàn)CS總線控制有著極高的優(yōu)勢，其能夠集中井下觸摸屏和傳感器等設(shè)備，減少井下布線等系統(tǒng)建設(shè)的成本，且在傳輸速率提升的基礎(chǔ)上實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制的可靠與穩(wěn)定性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)中存在的漏洞

雖然目前在帶式輸送機(jī)中的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)得到十分廣泛的應(yīng)用，同時也在設(shè)備運行安全和效率提升上高度重視。在科技手段不斷創(chuàng)新與推廣背景下，由于井下作業(yè)的內(nèi)容復(fù)雜、環(huán)境惡劣，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)使用存在一定局限，常常會出現(xiàn)信息錯報和監(jiān)控范圍狹窄等問題，這也表示出目前的監(jiān)控系統(tǒng)本身也存在一定的漏洞。具體可體現(xiàn)在以下幾個方面：

檢測打滑故障不夠及時。帶式輸送機(jī)中的滾筒與膠帶會相互摩擦，在此摩擦力作用下實現(xiàn)膠帶的傳輸。而當(dāng)這種摩擦力較小，難以實現(xiàn)有效的帶動時就會出現(xiàn)膠帶打滑的現(xiàn)象，且也會明顯提升部件的溫度。并且目前所使用的監(jiān)測系統(tǒng)對于膠帶打滑監(jiān)測方面存在精度低、不及時等問題，實現(xiàn)實時監(jiān)測，也不能監(jiān)測膠帶在出現(xiàn)打滑問題時部件的溫度，使設(shè)備運行存在安全隱患。

目前多數(shù)都是使用傳統(tǒng)模塊來制作監(jiān)控系統(tǒng)，但是在部件不斷更新和技術(shù)不斷創(chuàng)新使用的背景下，部分模塊已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，現(xiàn)場設(shè)備響應(yīng)不及時、功能單一和精度低等劣勢與問題已經(jīng)難以滿足目前帶式傳輸機(jī)安全作業(yè)的實際需求。

在監(jiān)控系統(tǒng)長時間使用過程中，由于部件的老化，很容易導(dǎo)致運行期間設(shè)備溫度過高的問題，也會出現(xiàn)電壓過大、膠帶轉(zhuǎn)速過慢等問題，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)各種各樣的問題，影響設(shè)備的正常運行。

現(xiàn)階段所使用的監(jiān)控設(shè)備主要是在人機(jī)顯示和報警等方面存在一定的不足，如顯示界面的單一性，導(dǎo)致關(guān)鍵的信息和數(shù)據(jù)不能及時在顯示屏上顯示；加上僅能發(fā)出一級報警的單一性報警裝置，為設(shè)備運行帶來極大的安全隱患。

基于上述對礦用帶式傳輸機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的漏洞分析，我們可以明確的是，需要盡快去優(yōu)化該系統(tǒng)的各項內(nèi)容，為保障系統(tǒng)安全運行和井下安全作業(yè)提供保障。而在整個帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，其主要包含硬件和軟件兩大部分。其中在硬件部分設(shè)計中，其包含PLC控制器、控制主站以及各種傳感器，以配電柜和通訊電纜為主要連接方式。而軟件部分則包含設(shè)備控制程序、報警程序以及主控界面等部分。在硬件與軟件系統(tǒng)的加持下共同為帶式傳輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的安全運行做出足夠的保障。下面本文以這兩部分的優(yōu)化設(shè)計為主要內(nèi)容進(jìn)行研究與探討。

3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分優(yōu)化設(shè)計

3.1 PLC控制器優(yōu)化設(shè)計

PLC控制器是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要負(fù)責(zé)采集設(shè)備數(shù)據(jù)與信號處理以及設(shè)備運行狀態(tài)和動作的控制進(jìn)行作用。

目前市場上所出現(xiàn)的PLC控制器種類與型號相對較多，因此需要在選擇上做好對比。本次結(jié)合市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)S7-400系列的PLC控制器優(yōu)勢較為明顯，其運算能力強(qiáng)、成本低與控制精度高。該系列的PLC控制器本身輸入的信號在4～20mA范圍內(nèi)，可以根據(jù)其控制器內(nèi)部的整流器來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，一般工業(yè)用電電壓為220V，由此可利用PLC控制器將其轉(zhuǎn)換為24V直流電，更加便捷的對接外部電源。

同時根據(jù)帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)本身的功能需求與要求，在該控制器接口魔鎧中，I/O模量輸入信號的接口設(shè)計為8個，I/O輸資料輸入接口為10個，I/O數(shù)字量輸出接口為8個。其中模擬量輸入模塊會將各種傳感器所檢測的信號輸入到PLC中，如設(shè)備運轉(zhuǎn)的速度、運行溫度和煤倉物位等信息；而數(shù)字量輸入模塊則負(fù)責(zé)設(shè)備于行期間的運動指示、煙霧以及堆煤的情況信息在PLC中輸入，最終根據(jù)數(shù)字量的輸出模塊來輸出報警和急停命令信息信號，隨后執(zhí)行結(jié)構(gòu)會對設(shè)備實施命令，完成設(shè)備的安全運行。其中PLC控制器接口的連接框架圖如圖1所示。

圖1 PLC控制器接口連接框架

3.2 控制主站設(shè)計

控制主站的設(shè)計，其在監(jiān)控系統(tǒng)中處于“大腦”和中心等地位，一般控制主站中包含電源和CPU模塊，這些模塊對于整個系統(tǒng)而言都十分重要。但是電源模塊在目前很多控制主站中均沒有被安裝，促使其使用局限性較大。本次根據(jù)CPU模塊的特點，決定選擇在煤礦生產(chǎn)中十分常見的315-2PN/DP模塊，其具備處理能力強(qiáng)和運算速度快等優(yōu)勢，具體特點如表1內(nèi)容所示。

表1 CPU主要參數(shù)

另外在控制主站上，其采取TCP/IP接口作為以太網(wǎng)的接口，利用UPS主機(jī)和UPS電池組成電源模塊，其屬于一種電源存儲器部件，在市電正常供應(yīng)與運行期間，能夠利用UPS模塊來調(diào)節(jié)與控制市電的電壓，隨后將電源提供給負(fù)載。而如果市電停電，可利用UPS模塊及時供電給負(fù)載，在此狀態(tài)下，可以保障PLC負(fù)載能夠持續(xù)5h的運行時間，以實現(xiàn)PLC模塊的穩(wěn)定與正常運行。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分優(yōu)化設(shè)計

4.1 主程序優(yōu)化

為了全面實現(xiàn)設(shè)備控制程序的運行，需要結(jié)合前文控制主站的設(shè)計內(nèi)容加上軟件程序的編寫所實現(xiàn)。在整個監(jiān)控系統(tǒng)中主控程序起到的是調(diào)度的作用，也是整個主站控制的核心部分，其是根據(jù)INPUT模塊的編程，集中輸入各項功能信號，如急停、互鎖等功能內(nèi)容，隨后再根據(jù)前端輸入的指令，根據(jù)OUTPUT模塊對這些信操作信號進(jìn)行快速且可靠輸出。

且在編寫主控程序期間，所選擇的是LAD梯形圖語言，其屬于STEP7編程軟件中的語言。該語言操作簡便，應(yīng)用普適性明顯，能夠?qū)Σ僮髁鞒虒崿F(xiàn)自動自上而下、逐步分解，進(jìn)而編寫整個程序的操作流程。隨后對狀態(tài)監(jiān)測功能進(jìn)行優(yōu)化，其中帶式輸送機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)所使用的PLC控制器可實現(xiàn)24路振動信號的采集，其涉及到電機(jī)前后軸和耦合器前后軸以及減速器前后軸等各個軸的振動，并且也可采集4路溫度信號，該信號涉及電機(jī)的前后軸瓦等內(nèi)容。

4.2 保護(hù)程序優(yōu)化

在目前所應(yīng)用的帶式輸送機(jī)過程中，所出現(xiàn)的該故障類型也相對較多，如部件溫度過高、膠帶打滑、跑偏和煙霧聚集等，嚴(yán)重影響著整個設(shè)備的安全運行。所以在該監(jiān)控系統(tǒng)中，需要對設(shè)備的保護(hù)程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在整個設(shè)計期間，主要是根據(jù)前端的各種傳感器來對各項信號進(jìn)行檢測，隨后以PLC控制器的處理和運算，來明確這些信號的情況。當(dāng)所檢測到的信號超出其所設(shè)置的相對應(yīng)閾值時，PLC則會發(fā)出相對應(yīng)的保護(hù)命令，如報警、停車等關(guān)鍵指令，隨后根據(jù)信息對比與判斷來保障設(shè)備的正常運行。如，本監(jiān)控系統(tǒng)溫度傳感器的測量范圍為0～55℃，其主要操作的內(nèi)容是對設(shè)備運行期間的溫度進(jìn)行檢測與控制，避免因為溫度過高而產(chǎn)生高溫報警等現(xiàn)象。因此采取STEP7編程軟件來對監(jiān)控系統(tǒng)中溫度檢測程序進(jìn)行編程處理，可保障整個系統(tǒng)的高精度、高反應(yīng)度的運行，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備的安全運行。具體程序梯形圖如圖2所示。

圖2 溫度檢測程序梯形圖圖示

5 優(yōu)化后監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用成效

結(jié)合目前改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容，其會將現(xiàn)有的HD-400型礦用的帶式輸送機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步測試與應(yīng)用，而該測試主要內(nèi)容就是在目前所具有的監(jiān)控系統(tǒng)配置基礎(chǔ)上來改進(jìn)、設(shè)計與更新PLC控制器、主站控制與程序控制等各個方面。

在測試所得出的結(jié)果中看出：新型優(yōu)化過的監(jiān)控系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定與可靠，數(shù)據(jù)信息響應(yīng)的時間更短、速度更快、精度更高，在外部市電斷電的情況下也能夠保障本監(jiān)控系統(tǒng)正常運行。另外所優(yōu)化過的系統(tǒng)界面能夠?qū)崟r顯示設(shè)備工作情況，如設(shè)備工作期間的溫度、速度和電流與電壓等信號信息，并可將正常運行與故障報警等提示進(jìn)行有效顯示與發(fā)送。

本監(jiān)控系統(tǒng)在測試期間，操作人員僅需要在監(jiān)控室內(nèi)就可完成設(shè)備運行的實時監(jiān)控，檢測作業(yè)時間同比下降了60%左右的比例，極大降低了檢測人員的勞動強(qiáng)度。且設(shè)備運行的時間也相較于優(yōu)化前提升了30%左右的比例，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由此可以看出，在選擇HD-400型帶式輸送機(jī)運行中被優(yōu)化的監(jiān)控系統(tǒng)能夠更好的滿足實際礦用需求。

6 結(jié)語

綜上所述，帶式輸送機(jī)作為目前煤礦產(chǎn)業(yè)主要的關(guān)鍵輸送設(shè)備，對其系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計不僅是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需求，更是新時期技術(shù)更新的重要需求。其中監(jiān)控與監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是整個帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的核心，做好該系統(tǒng)的設(shè)計則需要從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行，以PLC控制器和主控制站為主，設(shè)計好預(yù)警與報警系統(tǒng)。最后實現(xiàn)整個系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用檢測，保障監(jiān)測系統(tǒng)安全運行的同時，實現(xiàn)整個帶式輸送機(jī)的可靠性運行。