煤礦井下帶式輸送機(jī)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉鵬飛

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦機(jī)電科，山西大同 037003）

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦重要的井下煤炭運(yùn)輸設(shè)備，在煤炭運(yùn)輸過程中扮演著不可或缺的角色，能否安全穩(wěn)定運(yùn)行將直接影響煤礦的開采效率[1]。隨著目前煤礦井下設(shè)備開采強(qiáng)度的增加，開采周期的延長，對帶式輸送機(jī)的質(zhì)量提出了更大的考驗(yàn)。煤炭運(yùn)輸過程中帶式輸送機(jī)會出現(xiàn)各種各樣的故障，如皮帶打滑、跑偏、撕裂等情況，影響了帶式輸送機(jī)的工作壽命，降低了煤炭的開采效率。一般情況下對于帶式輸送機(jī)采用人工巡檢的方式進(jìn)行故障查詢，這樣的保護(hù)方式低效且存在盲區(qū)，難以滿足煤礦生產(chǎn)需求，對帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的自動化改造已是大勢所趨[2]。本文基于微控制器技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的自動化控制系統(tǒng)。

1 故障情況

礦井下開采環(huán)境復(fù)雜多變，皮帶運(yùn)輸機(jī)作為巨型運(yùn)輸設(shè)備，隨著開采強(qiáng)度的增加，在煤炭運(yùn)輸過程中，會出現(xiàn)諸多故障，主要故障及原因有以下幾種[3]。

（1）皮帶跑偏。皮帶跑偏在帶式輸送機(jī)日常故障中占有比重比較大，本質(zhì)為皮帶中軸線與支架中心不在同一直線上，可能是由于誤安裝引起，也可能是在皮帶運(yùn)行過程中引起。長時間的皮帶跑偏會引起皮帶撕裂，影響使用壽命，更甚者可能會使皮帶支架坍塌。

（2）皮帶堆煤。皮帶堆煤現(xiàn)象是由于輸送機(jī)長期撒料引起的。運(yùn)輸機(jī)撒料一般有2種原因：一種是由于皮帶跑偏引起的，另一種是由于皮帶長期懸空引起的。

（3）皮帶打滑。皮帶打滑主要是指皮帶工作過程中張力不足引起的原地滑動現(xiàn)象，可能是絞車?yán)Σ蛔慊蛘吲渲胤绞讲缓侠硪鸬?。另外，?qū)動滾筒表面膠皮磨損，造成驅(qū)動摩擦力不足，也會導(dǎo)致皮帶打滑現(xiàn)象的發(fā)生。皮帶打滑現(xiàn)象會導(dǎo)致皮帶驅(qū)動滾筒表面迅速升溫，給驅(qū)動滾筒及打滑處皮帶帶來難以修復(fù)的傷害。

（4）皮帶撕裂。皮帶撕裂是由于皮帶運(yùn)輸機(jī)長期處于高強(qiáng)度工作狀態(tài)，致使皮帶表面保護(hù)膠皮磨損引起的，這樣會導(dǎo)致皮帶強(qiáng)度下降，皮帶拉伸強(qiáng)度得不到保障，最終導(dǎo)致斷帶或縱向撕裂事故的發(fā)生。皮帶一旦發(fā)生斷裂，不僅影響了煤炭運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)度，還會造成人身傷亡事故的發(fā)生。

2 系統(tǒng)總體方案

圖1 帶式輸送機(jī)自動化控制系統(tǒng)總體方案

整個自動化控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、井下傳感器檢測系統(tǒng)、PLC主控制器、聲光報(bào)警裝置組成。帶式輸送機(jī)自動化控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中，井下傳感器檢測系統(tǒng)由各類礦用傳感器構(gòu)成，包括跑偏傳感器、撕裂傳感器、堆煤傳感器、溫度傳感器、速度傳感器，負(fù)責(zé)檢測皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行工況，包括堆煤、跑偏、撕裂、溫度等生產(chǎn)參數(shù)；PLC主控制器主要用于對檢測信息進(jìn)行分析處理，并發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的啟動和關(guān)停，對其進(jìn)行保護(hù)，同時將故障信息上傳給上位機(jī)；聲光報(bào)警裝置用于自動化控制系統(tǒng)的故障報(bào)警；上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的上傳以及控制指令的下達(dá)，對整個自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 硬件方案

為應(yīng)對井下復(fù)雜的工作環(huán)境，隨時預(yù)警皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)可能存在的安全隱患及設(shè)備故障信息，精確獲得需要檢測的數(shù)據(jù)，對輸送機(jī)進(jìn)行實(shí)時保護(hù)，保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行，對各部分硬件設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)選型。

3.1 PLC主控制器

PLC主控制器在自動化控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色[4]，通過它可實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的故障預(yù)警、故障保護(hù)、電機(jī)啟停。根據(jù)自動化控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能需求，本文選用德國西門子S7-300系列PLC作為主控制器。該系列控制器性價比高、電磁兼容性強(qiáng)、可靠性高，非常適合應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域[5]。

3.2 皮帶跑偏檢測單元

跑偏傳感器選用型號為GEJ30，可對帶式輸送機(jī)的皮帶跑偏情況進(jìn)行檢測。將跑偏傳感器安裝在帶式輸送機(jī)底座兩側(cè)，布設(shè)間隔為30～50 m，不限制安裝數(shù)量，并且均為并聯(lián)連接。傳感器設(shè)定一定的閾值，當(dāng)皮帶偏離值超過閾值時，PLC主控制器會接收反饋信息，并進(jìn)行保護(hù)控制，同時標(biāo)識跑偏區(qū)域，工作人員可根據(jù)標(biāo)識區(qū)域?qū)ε芷нM(jìn)行詳細(xì)檢查并更換[6]。

3.3 皮帶堆煤檢測單元

堆煤傳感器選用型號為GUJ30，將堆煤傳感器安裝在皮帶輸送機(jī)低洼處。當(dāng)發(fā)生堆煤現(xiàn)象時，堆煤傳感器將信號向PLC主控制器實(shí)時傳送，此時控制器顯示超出安全值并啟動相應(yīng)保護(hù)機(jī)制，同時標(biāo)識堆煤具體區(qū)域，工作人員可根據(jù)標(biāo)識區(qū)域?qū)Χ衙呵闆r進(jìn)行處理。

3.4 皮帶打滑檢測單元

選用型號為KG5007A的速度傳感器對皮帶打滑現(xiàn)象進(jìn)行檢測，將速度傳感器安裝在皮帶運(yùn)輸機(jī)端頭滾筒及皮帶中部。PLC主控制器通過設(shè)定值與實(shí)際值的速度差值比對開判定皮帶是否產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，適時啟動控制保護(hù)系統(tǒng)，并組織工作人員對故障點(diǎn)進(jìn)行檢查并進(jìn)行故障保護(hù)。在皮帶打滑時為避免更大事故發(fā)生，在驅(qū)動滾筒處安裝驅(qū)動滾筒溫度保護(hù)，選用型號為GWD100的溫度傳感器。

3.5 皮帶撕裂檢測單元

撕裂傳感器選用型號為GVD1200，將其安裝在皮帶運(yùn)輸機(jī)端頭張緊設(shè)備內(nèi)。帶式輸送機(jī)在正常工作過程時張緊力一般為固定值，當(dāng)該數(shù)值減小時即可視為皮帶撕裂，此時立即關(guān)停帶式輸送機(jī)并啟動保護(hù)機(jī)制，及時組織工作人員對存在問題的膠帶進(jìn)行更換。

4 軟件方案

帶式輸送機(jī)自動化控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)包括PLC下位機(jī)程序和上位機(jī)監(jiān)控軟件2部分。下位機(jī)程序主要由系統(tǒng)保護(hù)程序和系統(tǒng)控制程序組成。系統(tǒng)控制程序包括輸送機(jī)啟停程序；系統(tǒng)保護(hù)程序包括對輸送帶的跑偏、打滑、撕裂等非正常情況的故障報(bào)警程序、故障保護(hù)程序。本系統(tǒng)采用相應(yīng)的STEP7軟件，通過梯形圖的方式對PLC主控制器進(jìn)行程序編寫[7]，將編寫好的程序存儲于PLC的CPU內(nèi)，整個自動化控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的程序安全運(yùn)行。下位機(jī)程序示意圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)監(jiān)控程序示意圖

當(dāng)PLC主控制器檢測到帶式輸送機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時，觸發(fā)故障報(bào)警程序，并立即關(guān)停運(yùn)輸機(jī)，轉(zhuǎn)入故障保護(hù)程序，保證帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)行。

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要起監(jiān)控作用，實(shí)現(xiàn)各類故障信息的顯示，并向下位機(jī)傳送各參數(shù)的設(shè)定值，發(fā)送控制命令參數(shù)等。系統(tǒng)采用Visual Basic這一用戶最多、應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的開發(fā)工具[8]。上位機(jī)監(jiān)控軟件可視化框架圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控軟件可視化框架圖

5 結(jié)束語

為保障帶式輸送機(jī)在礦井下安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、微控制器技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)等提出一種新型的自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的全方位監(jiān)測，包括打滑、堆煤、跑偏、撕裂、過溫等情況，并可對這些情況進(jìn)行故障預(yù)警和故障保護(hù)；上位機(jī)監(jiān)控軟件具有友好的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。該系統(tǒng)已在礦井下進(jìn)行了測試，具有很好的應(yīng)用效果，大大提高了煤炭運(yùn)輸?shù)男?，降低了運(yùn)輸設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)。