同家梁煤礦帶式輸送機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

李雅蘭

（晉能控股集團同家梁礦，山西 大同 037000）

1 概況

同家梁礦位于大同煤田東南部，井田面積28.86 km2，主要為侏羅紀煤層，硫和灰分含量低，為優(yōu)質煤層。礦井設計為立井多水平開拓方式，共布置六個井筒，煤炭開采主運輸系統(tǒng)為軌道礦車和帶式輸送機串接混合運輸方式，各盤區(qū)煤流通過穿層溜煤眼流入帶式輸送機到集中溜煤眼，后轉載底卸式礦車運至底卸坑，通過主井帶式輸送機進入主井煤倉后提升到地面。同家梁礦DSJ70 型帶式輸送機服役年限長，故障風險高，簡單的啟?？刂葡到y(tǒng)無法及時識別潛在故障，且一旦出現(xiàn)故障停機，定位故障類型和故障點難度較大。針對存在的問題，進行帶式輸送機實時狀態(tài)監(jiān)測和控制系統(tǒng)設計。

2 運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)故障識別原理與總架構設計

（1）故障識別原理

帶式輸送機打滑、跑偏、撕裂、托輥運轉不靈活、皮帶斷帶等故障都會直接體現(xiàn)在不同部位皮帶速度對比以及速度變化趨勢上[1]，輔助驅動滾筒和改向滾筒的轉速監(jiān)測能夠更好地識別出設備故障。采用編碼器進行皮帶速度監(jiān)測，編碼器安裝位置如圖1。

圖1 帶式輸送機皮帶速度監(jiān)測示意圖

圖中編碼器1～3 用來對皮帶不同位置壓帶輪的轉速進行測算，編碼器4 測量驅動滾筒的轉速，編碼器5 測量改向滾筒的轉速，由下式進行轉速與皮帶線速度的轉換[2]：

式中：v代表編碼器安裝處皮帶的線速度，m/s；D代表壓帶輪或滾筒的直徑，m；n代表編碼器監(jiān)測顯示的壓帶輪或滾筒轉速，r/min。

如通過各編碼器監(jiān)測計算出的皮帶線速度相等，則說明帶式輸送機運行狀態(tài)良好，無故障；反之，則表明帶式輸送機存在故障，然后根據(jù)安裝在輸送系統(tǒng)中的各類開關量傳感器進一步定位故障類型，實現(xiàn)故障實時自動診斷。

（2）系統(tǒng)總體設計架構

帶式輸送機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測與顯示、故障核心參數(shù)值監(jiān)控、故障報警與連鎖動作、歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)查詢與打印等功能，總設計架構如圖2。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集元件、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)顯示模塊以及輔助模塊構成，其中數(shù)據(jù)采集元件分為各類信號采集傳感器即溫度、張力、帶速、轉速和油壓傳感器；狀態(tài)監(jiān)測開關即堆煤、急停、跑偏、煙霧、撕裂和抱閘開關等；電量監(jiān)測電壓電流互感器等；故障報警與連鎖模塊的核心設備是PLC、通訊模塊以及其他擴展模塊，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收、邏輯運算、動作指令發(fā)出以及反饋信號接收等；狀態(tài)顯示模塊包括上位機以及就地顯示設備等；輔助模塊實現(xiàn)信號轉化與傳輸、結果查詢與打印功能。

圖2 帶式輸送機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)架構圖

3 運行狀態(tài)監(jiān)測硬件設計

（1）傳感器選型

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集依托各類模擬量傳感器和狀態(tài)監(jiān)測開關，選擇依據(jù)為數(shù)據(jù)采集精度和抗信號干擾能力以及安裝方式[3]，保證在井下工況下能夠長期穩(wěn)定準確地采集相關數(shù)據(jù)。表1 列舉了帶式輸送機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要傳感器型號和信號輸出類別。

表1 傳感器與監(jiān)測開關型號匯總表

傳感器位置的選擇是系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測準確的要素[4]，以跑偏開關為例，位置安裝圖如圖3。分別在機頭、機尾和兩側安裝，保持其與皮帶正常運行狀態(tài)下間距35 mm，距離的選擇即考慮到避免系統(tǒng)對皮帶正常偏差導致的誤報警，又保證其在跑偏故障發(fā)生前期及時識別并報警。皮帶同側安裝的跑偏開關間距選擇2.5 m 以平衡系統(tǒng)成本與故障識別靈敏度。

圖3 KGE9A 型跑偏開關安裝示意圖

（2）PLC 相關模塊選型

選擇工業(yè)用西門子S7-200 型可編程控制器作為核心數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)信號監(jiān)測類型和數(shù)量，確定擴展模塊[5]。系統(tǒng)共接入輸入模塊的模擬量8 路，分別是四個減速器上的振動傳感器和四臺稀油站上安裝的油壓傳感器[6]?？紤]到系統(tǒng)備用模塊，選擇三個EM231 模擬量擴張模塊?？紤]到將來系統(tǒng)的升級及擴展，CPU 擴展模塊采用CPU226。

（3）硬件平臺搭建

系統(tǒng)硬件平臺搭建如圖4。本安型攝像設備實時采集帶式輸送機關鍵部位畫面，通過交換機信號傳輸至監(jiān)控上位機，供監(jiān)控人員在線判斷輸送機狀態(tài)[7]。各類傳感器智能儀表采集狀態(tài)參數(shù)并輸出模擬量經CPU226 上的RS-485 接口輸入到S7-200 可編程控制器，電子皮帶秤通過總線將數(shù)據(jù)輸入到PLC，轉速傳感器、油壓傳感器、振動傳感器直接與監(jiān)控柜中模擬量輸入模塊EM231 或者CPU226 上的數(shù)字量輸入端子相連。PLC 接收到這些狀態(tài)監(jiān)測信號后通過通訊模塊完成信號識別轉化后，按照設定的程序進行數(shù)據(jù)處理，判斷帶式輸送機的運行狀態(tài)或故障類型，并執(zhí)行連鎖控制信號的發(fā)出。狀態(tài)監(jiān)測判斷結果以及報警或控制停機等邏輯控制結果通過交換機上傳到系統(tǒng)上位機進行顯示，同時上位機負責對監(jiān)控參數(shù)和判斷結果數(shù)據(jù)儲存，當需要進行歷史數(shù)據(jù)查詢時，還能根據(jù)存儲數(shù)據(jù)自動生成運行狀態(tài)歷史曲線圖，并附帶打印功能[8]。

圖4 系統(tǒng)硬件平臺搭建示意圖

4 運行狀態(tài)監(jiān)測軟件設計

軟件設計中的主監(jiān)測模塊能夠將系統(tǒng)監(jiān)測的帶式輸送機狀態(tài)的全部參數(shù)顯示在系統(tǒng)上位機對應界面中，上位機監(jiān)測界面主要包括了帶式輸送機狀態(tài)參數(shù)界面、運行仿真界面、故障監(jiān)測報警界面以及歷史數(shù)據(jù)查詢界面等，界面各數(shù)據(jù)實時更新，監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設計閾值后，會自動跳轉報警界面，發(fā)出聲光報警，并啟動綜合保護程序。綜合保護邏輯控制流程如圖5。

圖5 系統(tǒng)綜合保護邏輯控制流程

當系統(tǒng)監(jiān)測到帶式輸送機出現(xiàn)故障時，首先進行聲光報警，然后根據(jù)故障診斷結果的不同，有差別執(zhí)行連鎖控制程序：如果出現(xiàn)打滑、縱撕、嚴重跑偏以及堆煤等情況，系統(tǒng)會立即向帶式輸送機上游設備發(fā)出急停指令，對下游設備發(fā)出延時停機指令；如果系統(tǒng)監(jiān)測到出現(xiàn)斷帶故障，除了執(zhí)行上游設備急停與下游設備延時停機連鎖動作外，還會對斷帶處進行圖像抓捕并顯示在上位機界面；如監(jiān)測到帶式輸送機工況環(huán)境溫度高，超出溫度設定閾值，則執(zhí)行灑水降溫指令，溫度下降后，停止灑水。

5 效果分析

為了對設計系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、故障信息識別與綜合保護等功能有效性進行驗證，搭建了系統(tǒng)測試平臺，采用等比例縮小的帶式輸送機模型對監(jiān)控系統(tǒng)測試。帶式輸送機模型機上電后正常運行，上位機組態(tài)界面中顯示設備運行正常，各監(jiān)測參數(shù)均能顯示，且速度、溫度、振動等參數(shù)均未超過設定閾值，與實際運行參數(shù)基本相同。人為在皮帶壓帶輪上涂抹潤滑油，模擬皮帶長期拉伸下出現(xiàn)的打滑故障，系統(tǒng)故障報警，皮帶速度監(jiān)測值超出閾值低值，上位機故障診斷界面顯示診斷結果為打滑。診斷結果支撐程度顯示為98.10%，這是由于設計的故障診斷系統(tǒng)是通過多方位參數(shù)比對結果確定的，表明故障診斷系統(tǒng)有效、準確，控制信號指令接收端接收到停機與延時停機信號。

6 結語

對同家梁煤礦運輸系統(tǒng)中的DSJ80 型帶式輸送機進行運行狀態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了輸送機皮帶速度、溫度、振動值、電流、電壓狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測，輸送機皮帶跑偏、打滑、堆煤、斷帶、高溫等故障實時診斷，故障發(fā)生時輸送系統(tǒng)的綜合連鎖動作保護等功能，提升了帶式輸送機運行自動化和智能化。