礦用皮帶輸送機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究

郝 浩

（晉能控股裝備制造集團(tuán)華越機(jī)械有限公司奧倫膠帶分公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

現(xiàn)如今，國內(nèi)現(xiàn)存的皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)仍然面臨著自動化水平低、功能簡單、可靠性差等問題。同時，國內(nèi)對皮帶輸送機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究起步較晚，大部分中小煤礦還采用人工方式進(jìn)行礦井監(jiān)測，這種方式的自動化水平不高、勞動強(qiáng)度大、勞動成本高、工作環(huán)境差。另外，員工的安全也不能得到有效的保障[1]。并且，考慮到人為因素的影響，皮帶輸送機(jī)的傳動效率也受到了極大的干擾，現(xiàn)場只能進(jìn)行實時控制和監(jiān)控，無法實現(xiàn)多臺皮帶輸送機(jī)的綜合監(jiān)控和管理。為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種基于PLC 控制技術(shù)的礦用皮帶輸送機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、故障預(yù)測，以及保護(hù)、張力、啟停功能的集成。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

考慮到皮帶輸送機(jī)井下工作條件差，長時間高強(qiáng)度的作業(yè)，皮帶易出現(xiàn)打滑、跑偏、斷裂等故障[2]。首先，為了解決皮帶輸送機(jī)的打滑問題，必須對皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行實時監(jiān)控；對于高溫問題，需要實時測量輥子的溫度；電機(jī)、減速器等關(guān)鍵部件的電氣、振動、溫度等參數(shù)也需要實時監(jiān)控；皮帶跑偏、撕裂、積煤等問題需要通過相應(yīng)的傳感器來實現(xiàn)。在對監(jiān)控要求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于集中-分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1），它包含了上位機(jī)操作層、下位機(jī)控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。計算機(jī)操作層主要是通過計算機(jī)、顯示器和交換機(jī)來顯示皮帶輸送機(jī)的工作狀態(tài)，通過人機(jī)接口對輸送機(jī)進(jìn)行操作指令的顯示。下位機(jī)的控制部分主要是采集和上傳各種傳感信號，并根據(jù)上位機(jī)的指令實施控制。該控制部分的控制功能主要是通過一個主站PLC 以及三個從站PLC 來實現(xiàn)的，每個PLC 控制一個皮帶輸送機(jī)。最終，經(jīng)由以太網(wǎng)以及主站PLC 之間的信息交互，實現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。現(xiàn)場設(shè)備層主要由各種傳感器和變頻器組成，用于對皮帶輸送機(jī)的工作狀況和故障信息的收集及上傳，并實現(xiàn)電動機(jī)的軟啟動過程。

當(dāng)系統(tǒng)工作時，首先，安裝在皮帶輸送機(jī)上的各傳感器獲取其工作時間的參數(shù)，各傳感器將采集到的狀態(tài)值發(fā)送給相應(yīng)從站PLC 的輸入端口。從站PLC通過以太網(wǎng)與主站PLC 交換數(shù)據(jù)，并將運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行實時反饋顯示。最后，上位機(jī)對皮帶輸送機(jī)的參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控和控制。

2 硬件方案設(shè)計

系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要由一個主站PLC、三個從站PLC 以及各種傳感器組成。PLC 和傳感器的選擇對系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集的可靠性起著至關(guān)重要的作用，因此必須要選擇合理的類型。本系統(tǒng)在設(shè)計的過程中采用了較為流行的S7-300 可編程控制器，采用通用315-2 PN/DP 作為主控制器，內(nèi)置Profinet 和Profious DP，與從站PLC 之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，不需要附加額外的擴(kuò)展模塊。由于從站PLC 需對各種傳感器采集到的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，因此不但需要CPU、電源模塊，還需要模擬器、數(shù)字式輸入/輸出模塊，其中模擬器輸入模塊型號為SM321、輸出模塊型號為SM322；數(shù)字式輸入模塊型號為SM331、輸出模塊型號為SM332。

要想實時監(jiān)測皮帶輸送機(jī)的速度，需要通過速度傳感器來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。選擇KGX-S1 型轉(zhuǎn)速傳感器，在接收到輸送皮帶的速度信號時，通過與額定轉(zhuǎn)速的比較，可以判定有無超速、打滑現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用GEJ30 型礦用位移傳感器，用于皮帶輸送機(jī)的數(shù)據(jù)采集，其偏移角為（30+3）°的工作角，接觸力為20～100 N，回程為15°，并具有485 通信和尋址功能，能準(zhǔn)確監(jiān)測皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀況和位置信息。

考慮到輸送帶的高溫運(yùn)轉(zhuǎn)，可以采用GWD100礦用測溫儀，能夠避免因運(yùn)輸皮帶的撞擊引起的火災(zāi)或電器受到高溫?fù)p壞，對電氣設(shè)備外表和軌道線路進(jìn)行檢查[3]。GWD100 滿足系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在0～100 ℃的工作溫度范圍內(nèi)，顯示電流和電壓偏差均低于3%，正常輸出電流范圍為4～20 mA。用來檢查皮帶輸送機(jī)機(jī)頭上是否有煤堆，并通過GUJ30 型煤堆感應(yīng)器檢測煤位的變化情況。此傳感器的觸頭容量為12 V/0.5 A，接觸電阻小于0.1 Ω，接點(diǎn)角為（30±3）°，探頭工作力大于9.8 N，完全能夠滿足系統(tǒng)的需要。煙感傳感器是用于收集輸送帶滑動和線路火災(zāi)產(chǎn)生的煙塵信號的一種傳感器，可以在一定程度上杜絕礦井火災(zāi)的發(fā)生。該監(jiān)控系統(tǒng)選擇的是GQL-0.1 Y 型感煙傳感器，其工作閾值為0.3 mg/m3，反應(yīng)時間＜60 s，靈敏度和反應(yīng)速度均較理想。

本文所采用的GVD2000 撕裂儀是為了防止膠帶上出現(xiàn)縱向撕裂現(xiàn)象，其工作質(zhì)量是（2000+200）g/m，工作電壓為12 V，工作電流小于或等于0.5 A，信號輸出端采用斷路器，接線方式為雙線制，需要用DVD2000斷路器與從站PLC DI 模塊連接，具體的接線方式見圖2。

圖2 撕裂傳感器接線

3 軟件方案設(shè)計

當(dāng)皮帶輸送機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要工作時，在系統(tǒng)初始化確認(rèn)沒有問題后，首先選擇啟動模式，選擇自動控制模式后，程序控制皮帶輸送機(jī)在與煤流相反的方向上啟動，并根據(jù)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來分配延遲啟動時間；而在與煤流相同的方向上時，解除自動控制模式。如果皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)故障，立即進(jìn)行故障停機(jī)，以避免堆煤事故的發(fā)生，相應(yīng)啟動程序流程如圖3 所示。

圖3 皮帶輸送機(jī)啟動流程

該監(jiān)控系統(tǒng)的另一重要作用是對皮帶輸送機(jī)在使用過程中可能發(fā)生的打滑、堆煤、超溫、冒煙等故障進(jìn)行實時監(jiān)測，并按故障的嚴(yán)重性進(jìn)行報警、停止、啟動噴灑等相關(guān)作業(yè)，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的自診斷。PLC 的軟件系統(tǒng)主要功能為控制系統(tǒng)的初始化工作、設(shè)備故障的自動檢測和控制系統(tǒng)的主程序管理等。然而，控制系統(tǒng)的主控制進(jìn)度管理則包含許多子程序，內(nèi)容主要涉及對輸入與輸出信息的管理、對控制模塊的選擇、對裝置的啟停管理、對裝置工作的速度管理和對自身故障的保護(hù)等。主程序的主要任務(wù)是對各個子程序之間的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便于系統(tǒng)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時收集，再經(jīng)由處理后將其反饋到地面的集控中心。此外，工作人員可以依照收集的參數(shù)信息對其進(jìn)行調(diào)整與控制，來完成皮帶輸送機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控工作。

4 應(yīng)用效果分析

基于山西某煤礦企業(yè)煤炭的生產(chǎn)需求，將井下皮帶輸送機(jī)的控制系統(tǒng)作了一系列的改進(jìn)，完成了從總體方案到硬件系統(tǒng)，再到軟件系統(tǒng)的設(shè)計。為了驗證設(shè)計的控制系統(tǒng)的合理性及可靠性，將其應(yīng)用到現(xiàn)有的皮帶輸送機(jī)當(dāng)中。通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)不但可以穩(wěn)定運(yùn)行，還能完成對井下各個皮帶輸送機(jī)的集中控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。根據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計，在使用該控制系統(tǒng)之后，皮帶輸送機(jī)不僅可以可靠地運(yùn)行，還具備了速度調(diào)節(jié)的功能，與之前相比，可以節(jié)省大約1/10 的能源。此外，在設(shè)備的啟動過程中，也較原來有了更好的平穩(wěn)性，并且該過程可以經(jīng)由工作人員遠(yuǎn)程操控，減少了2～3 名一線作業(yè)人員的派遣數(shù)量，為井下少人化發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用還降低了煤炭開掘的成本，為煤炭企業(yè)增加了利潤，平均每年可增加100 萬元的直接經(jīng)濟(jì)收益。

綜上，將本文研制的皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦企業(yè)中，在解決了該礦生產(chǎn)需求的同時，還解決了工作效率低、安全性能得不到保障以及能源消耗較高等問題，值得在該企業(yè)廣泛推廣。

5 結(jié)語

針對煤礦皮帶輸送機(jī)的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，采用PLC 作為控制核心，將以太網(wǎng)通信和傳感技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種高可靠性、功能全面的礦用皮帶輸送機(jī)智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用智能監(jiān)控系統(tǒng)中PLC 控制單元的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對皮帶輸送機(jī)啟動、現(xiàn)場及運(yùn)行工況的實時顯示和控制調(diào)整，及時對運(yùn)輸過程中的各種故障進(jìn)行報警和處理，確保皮帶輸送機(jī)在遠(yuǎn)程監(jiān)控條件下安全可靠地運(yùn)行。