礦用帶式輸送機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究

宋 凱

(晉能控股集團 晉城煤炭事業(yè)部 長平公司，山西 晉城 048000)

0 引言

帶式輸送機作為煤礦原煤運輸?shù)闹饕O(shè)備，目前正朝著自動化、智能化方向不斷發(fā)展[1-3]，目前國內(nèi)大多數(shù)煤礦的皮帶機監(jiān)控系統(tǒng)停留在人工故障排查及結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度低下階段，不僅人力及設(shè)備成本耗費較大，而且無法對故障隱患點較多的長距離皮帶機實現(xiàn)有效的監(jiān)控，極易發(fā)生故障定位模糊、信息采集延時性大及誤操作等問題，無法滿足煤礦自動化建設(shè)需求。

針對以上問題，本文在傳統(tǒng)礦用皮帶機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過多傳感器融合技術(shù)對煤礦帶式輸送機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可對傳送帶撕裂、跑偏、打滑、超溫及電機、滾筒等主要部件的故障情況進行及時報警及診斷處理。同時系統(tǒng)采用主從PLC控制結(jié)構(gòu)可有效提高系統(tǒng)控制精度及運行效率，通過工業(yè)以太網(wǎng)+RS485組合通信網(wǎng)絡(luò)模式對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行實時快速傳輸，最大限度地提升帶式輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測的全面性及實時性，從而有效保證煤礦帶式輸送機的安全、高效、自動化運行，對于提高煤礦運輸系統(tǒng)智能化水平具有一定的促進作用。

1 監(jiān)控系統(tǒng)方案確定及功能分析

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)方案選擇

本監(jiān)控系統(tǒng)的方案根據(jù)山西晉城某煤礦帶式輸送機系統(tǒng)的現(xiàn)場實際情況進行選擇制定，首先需對該皮帶機系統(tǒng)的故障頻發(fā)點進行分析。

由于煤礦帶式輸送機長期處于高速及高運量的工作狀態(tài)下，加之井下惡劣環(huán)境及人為因素的影響，該煤礦的皮帶機運行易出現(xiàn)以下故障：

(1) 傳送帶撕裂。當(dāng)發(fā)生機頭堆煤或機尾原煤下落時，形狀不規(guī)則的物料會扎破、劃傷傳送帶，從而引起皮帶機傳送帶縱向撕裂。

(2) 機頭堆煤。當(dāng)下部皮帶機未能及時將上部皮帶機機尾處原煤及時運走時，會造成煤炭堆積導(dǎo)致電機堵轉(zhuǎn)。

(3) 傳送帶跑偏、打滑。受滾筒安裝結(jié)構(gòu)不良、傳送帶張力不足及滾筒磨損嚴(yán)重等影響，皮帶機在運行過程中易發(fā)生傳送帶位置偏離、打滑故障，進而引起皮帶撕裂、起火等事故。

(4) 傳送帶溫度過高及煙霧產(chǎn)生。當(dāng)發(fā)生皮帶打滑等故障時，皮帶與滾筒間較大的摩擦?xí)?dǎo)致傳送帶局部溫度過高并產(chǎn)生煙霧，進而引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重事故[4-6]。

(5) 皮帶機主要電氣及傳動機構(gòu)故障。帶式輸送機的驅(qū)動電機、減速器及滾筒等主要部件在運行過程中極易發(fā)生過熱、漏油、齒輪及軸承磨損、松動甚至損壞等故障，導(dǎo)致皮帶機無法正常工作。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)基本功能

通過分析帶式輸送機易發(fā)生的故障，本系統(tǒng)的技術(shù)路線確定為傳感器故障監(jiān)測點數(shù)據(jù)實時采集、主從PLC配合控制、上位機智能化人機交互平臺遠程監(jiān)控三部分。由于原皮帶機系統(tǒng)的智能化程度較低，僅憑設(shè)備自帶的儀表無法實現(xiàn)帶式輸送機的全面監(jiān)控管理，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控需求，確定了系統(tǒng)需具備以下基本功能：

(1) 帶式輸送機運行狀態(tài)實時監(jiān)測。系統(tǒng)可對帶式輸送機帶速、溫度、電機及減速器振動量及電壓電流等主要參數(shù)進行實時精確采集，并通過上位機交互界面實時監(jiān)測。

(2) 故障預(yù)警診斷功能。系統(tǒng)可對帶式輸送機可能發(fā)生的傳送帶打滑、撕裂、跑偏及超溫、堆煤、煙霧等故障進行及時報警并通過上位機對故障進行診斷分析及事件記錄。

(3) 自動控制功能。系統(tǒng)可通過上位機及PLC控制變頻器輸出從而實現(xiàn)帶式輸送機軟啟動、自動啟停張緊等控制功能。

(4) 智能化人機交互平臺。系統(tǒng)可通過遠程監(jiān)控平臺直觀顯示帶式輸送機各項運行狀態(tài)并進行相應(yīng)曲線實時繪制，同時具備數(shù)據(jù)分析管理、存儲記錄等功能。

2 帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在確定監(jiān)控系統(tǒng)方案后，采用模塊化架構(gòu)對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，將系統(tǒng)分為上位機監(jiān)控平臺、通信網(wǎng)絡(luò)、PLC控制模塊、變頻驅(qū)動模塊及運行參數(shù)采集模塊五大部分，從而實現(xiàn)對皮帶機的全方位監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制及故障報警。帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，上位機監(jiān)控平臺用于輸送機運行狀態(tài)遠程監(jiān)測顯示及控制指令下達等功能的實現(xiàn)，帶式輸送機運行參數(shù)的采集由采集模塊中的各類傳感器完成，變頻驅(qū)動模塊主要由變頻器組成，用于實現(xiàn)皮帶機軟啟動及啟停張緊控制。PLC控制模塊用于運行參數(shù)上傳及控制指令下達，為了進一步提高控制效果，系統(tǒng)采用主從PLC控制結(jié)構(gòu)對多臺輸送機實現(xiàn)集中控制。系統(tǒng)上位機與主控PLC之間的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)，主控PLC與各分站采用RS485總線通信方式[7]。

2.1 皮帶機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要集中于主從PLC控制站及運行參數(shù)采集模塊中的各類傳感器，上述兩部分是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心模塊，對其進行合理的設(shè)計與選型至關(guān)重要。

綜合考慮系統(tǒng)控制需求及經(jīng)濟性，本文選用S7-300可編程控制器作為本系統(tǒng)的主從控制站，主控芯片型號選用具有支持以太網(wǎng)協(xié)議的Profinet接口及RS485通信接口的315-2PN/DP緊湊型CPU，其豐富的通信接口可滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸及通信需求。

運行參數(shù)采集模塊可對帶式輸送機各類運行數(shù)據(jù)進行集中采集，其傳感器的數(shù)量及類型需根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測量及故障類型進行選擇，如表1所示。

表1 運行參數(shù)采集模塊傳感器類型及型號選擇

其中，GSD4的測速范圍為0～8 m/s，基本誤差及線性度誤差均≤±2.5%FS，可滿足本系統(tǒng)帶速采集需求；GEJ30動作角度為30°±3°，觸桿動作力為20 N～100 N，探桿轉(zhuǎn)動極限角度≥70°，可對皮帶跑偏位移進行有效監(jiān)測；GWP200具備40 ℃、50 ℃、70 ℃三個溫度檔位，工作電壓為DC 12 V～DC 24 V，可輸出4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號；ZH-40134采用24位A/D采樣，其電流量程為1 A～30 A AC，電壓量程為10 V～450 V AC，頻響范圍為45 Hz～400 Hz。

2.2 皮帶機監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文以組態(tài)王軟件為基礎(chǔ)對帶式輸送機智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件進行設(shè)計，整個系統(tǒng)軟件可分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、顯示交互子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)四部分。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸送機運行狀態(tài)參數(shù)采集與上傳；顯示交互子系統(tǒng)主要為智能人機交互界面，可進行運輸機運行模擬顯示、工況參數(shù)顯示、實時曲線顯示及故障信號顯示等；自動控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)運輸機的電機及變頻器遠程控制，從而實現(xiàn)運輸機軟啟動、自動啟停張緊等操作；用戶數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲、歷史事件記錄查詢、用戶登錄注銷等。帶式輸送機智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能如圖2所示。

圖2 帶式輸送機智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)試驗與調(diào)試

本節(jié)在實際使用環(huán)境下搭建了測試系統(tǒng)，從而驗證監(jiān)控系統(tǒng)的各項關(guān)鍵功能及系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)實際運行測試結(jié)果如下：

(1) 通信功能測試結(jié)果：在對RS485通信程序進行測試和修改后，有效解決了系統(tǒng)通信失敗、數(shù)據(jù)長傳不完整問題。在連續(xù)15次的通信測試中，系統(tǒng)地址自動排序功能穩(wěn)定，人機界面參數(shù)顯示及刷新正常，未出現(xiàn)掉線現(xiàn)象。

(2) 監(jiān)控功能測試結(jié)果：系統(tǒng)運行后上位機可實時顯示皮帶機帶速、電機及減速器溫度、皮帶張緊力、電氣設(shè)備電壓電流等參數(shù)，測量誤差均≤5%。通過上位機可實現(xiàn)對不同皮帶機的單個遠程控制、集中控制及就地控制。

(3) 故障報警定位功能測試結(jié)果：測試試驗通過閉鎖開關(guān)、信號發(fā)生器及直流電源分別模擬了不同信號量的跑偏、打滑、撕裂、堆煤、超溫等故障，監(jiān)控系統(tǒng)均可對不同類型的故障量進行快速響應(yīng)和定位報警，系統(tǒng)故障響應(yīng)時間<1 s，故障報警定位功能可靠性滿足要求。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用主從PLC控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對多臺帶式輸送機的集中監(jiān)控，進一步提高了系統(tǒng)的控制效果。同時采用工業(yè)以太網(wǎng)+RS485組合通信方式對系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進行架構(gòu)，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸效率及容量，實現(xiàn)了煤礦帶式輸送機運行狀態(tài)遠程智能監(jiān)測及自動控制功能，對于提高煤礦自動化水平具有一定意義。