關于HD-400型礦用帶式輸送機監控系統的改進設計

劉建英

(大同煤礦集團 云岡礦，山西 大同 037017)

帶式輸送機作為煤礦開采中的主要運輸設備，憑借其結構簡單、作業效率高、性能穩定可靠等特點，在煤礦得到廣泛應用[1]。隨著計算機、通訊、檢測等技術的不斷發展，監控系統也被應用到了帶式輸送機中，以此來實現對設備運行狀態的實時監控和保護。但隨著煤礦生產規模的不斷擴大，加上井下環境的惡劣性，導致現有的監控系統無法滿足當下設備的作業需求，保證設備具有更高的運行狀態，使得對監控系統的綜合性能提出了更高要求[2]。為此，本文結合現有HD-400型礦用帶式輸送機監控系統存在的問題，對其進行了改進，通過試驗測試，所改進后的監控系統對帶式輸送機的作業效率及安全提供了重要保障。

1 現有監控系統存在問題

監控系統在HD -400型礦用帶式輸送機中的廣泛應用，大大提高了設備的運行效率及作業安全。但隨著技術的不斷提升，加上井下作業環境惡劣性，導致現有監控系統在運行過程中存在一定的局限性，監控范圍窄、信息誤報現象時有發生，主要體現在以下幾個方面：

1) 帶式輸送機打滑故障檢測不及時。膠帶通過與滾筒的相互摩擦接觸，在摩擦力作用下，膠帶進行傳輸作業。當兩部件之間的摩擦力不足時，則會造成膠帶發生打滑故障，并使部件的溫度明顯上升。而現有的監控系統對膠帶的打滑監測方面存在監測不及時、精度較低問題，不能及時對打滑故障進行實時監測，且監控系統也未對膠帶打滑時產生的溫度進行監測，對設備的運行安全構成了嚴重的安全隱患[3]。

2) 現有監控系統中的關鍵模塊，采用的是以前設計的模塊，隨著部件長時間使用，加上技術的不斷提升，這些模塊已不同程度地出現了設備老化、響應不及時、以及精度較低、功能單一等問題，無法較好地滿足當下帶式輸送機的安全作業需求。

3) 由于監控系統的長期使用，導致其運行時經常出現設備溫度過高、電壓過大、膠帶轉速過慢等信息的誤報現象，并由此產生相應的急停或報警提示，給設備的正常運行帶來了嚴重影響[4]。

4) 現有監控系統在人機顯示及報警方面也存在一定的不足，顯示界面設計單一，不能將設備運行的關鍵參數及信息進行實時顯示，且報警功能也相對單一，僅能發出一級報警，而不能根據故障的嚴重程度發出相應的不同等級的報警提示[5]。

綜上分析，針對帶式輸送機現有監控系統存在的不足，對其進行優化改進設計，成為當下提高設備作業效率及運行安全關鍵。

2 監控系統硬件部分改進設計

帶式輸送機監控系統主要包括了硬件部分和軟件部分，其中，硬件部分主要配備了PLC控制器、控制主站、各類傳感器(溫度、速度、煙霧、電壓等)、通訊電纜、配電柜等，通過各部件的相互連接，組成了監控系統的硬件部分。而軟件部分則主要包括設備的控制程序、報警程序、主控界面等方面內容。下面就該監控系統中硬件和軟件的主要部分進行介紹。

2.1 PLC控制器的設計

PLC控制器是整個監控系統的核心，主要起到對設備的數據采集、信號處理、動作控制及運行狀態監控等作用。通過對市場上不同型號PLC控制器的對比選型，選用了運算能力強、控制精度高、成本低的S7-400系列的PLC控制器[6]。該控制器的輸入信號均在 4～20 mA范圍內，可通過內部的整流器，將220 V的工業電轉換為24 V的直流電，能較為方便地與外部電源進行對接。結合帶式輸送機監控系統的功能要求，在PLC控制器接口模塊中，設計了8個I/O模擬量輸入信號接口、10個I/O數字量輸入接口及8個I/O數字量輸出接口等，其中，通過各類傳感器檢測到的設備工作溫度、運轉速度、煤倉物位等信號將通過模擬量輸入模塊輸入至PLC中，而設備運行中的運動指示、油泵到位、煙霧及堆煤情況等信息將從數字量輸入模塊輸入至PLC中，最終通過數字量輸出模塊，將急停、響鈴報警、運動命令等信號進行輸出，并命令相關執行機構實行設備的命令操作，PLC控制器接口的連接框架如圖1所示。

圖1 PLC控制器接口的連接框架

2.2 控制主站設計

控制主站是監控系統的控制中心和大腦，而整個監控系統中的CPU模塊和電源模塊則主要安裝在控制主站中，現有的控制主站大多未設計電源模塊，在一定情況下具有較大的使用局限性。針對主站中的CPU模塊，選用了煤礦中通用的315-2PN/DP模塊，具有運算速度快、處理能力強等特點，其主要特點如表1所示。同時，控制主站中的以太網接口采用了TCP/IP 接口，可支持多種協議的相互交換。控制主站中的電源模塊主要由 UPS 主機和UPS 電池組成，是一個電源存儲器，當市電正常作業時，可通過UPS模塊對市電進行調節穩壓，之后向負載提供電源，當市電停電時，UPS模塊則及時向負載提供電力，可保證PLC負載能持續運行5h，以此保證了PLC模塊的正常運行。

表1 CPU主要參數

3 軟件部分設計

3.1 主程序設計

結合前面設計的控制主站，需通過軟件編程方式對設備的控制程序進行編寫。主控程序在整個監控系統中，起到管理調度的作用，是控制主站的核心，主要通過模塊中的INPUT模塊，將設備的檢修、預告時間、互鎖、急停等各項功能要求通過編程方式進行信號的集中輸入，之后根據前端的輸入命令，通過OUTPUT模塊，將啟動、停止、預告等命令進行操作信號的有效輸出。在整個主控程序編寫中，采用了STEP 7編程軟件中的 LAD梯形圖語言，該語言具有形象直觀、操作簡單、應用普遍等特點，可自上而下、逐步分解方式對程序進行編寫，由此，完成了主控程序的程序編寫操作。

3.2 保護程序設計

帶式輸送機在運行過程中，經常會出現打滑、跑偏、溫度過高、堆煤、煙霧聚集等故障問題，對設備的運行安全構成嚴重威脅。因此，在該監控系統中，設計了設備的保護程序，主要通過前端各類傳感器檢測到的各類信號，經過PLC控制器的運算處理，當檢測到的信號超過設置的相應閥值時，PLC則發出相應的保護命令，如報警命令、停車命令等，實現對設備的保護，當故障問題被清除后，PLC通過信息對比判斷，方可允許設備恢復正常運行狀態。例如，由于該監控系統的溫度傳感器測量范圍為0～55 ℃，主要負責對設備運行過程中的溫度進行檢測和控制，防止設備因溫度過高而出現高溫報警現象，由此，采用STEP7編程軟件，對監控系統中溫度檢測程序進行了編程，其程序的梯形圖如圖2所示。

4 監控系統應用效果分析

針對改進設計的監控系統，將其在現有HD-400型礦用帶式輸送機中進行了進一步的應用測試，主要是在現有監控系統配置基礎上，對系統中的PLC、控制主站、控制程序等方面進行了改進設計和更新，通過測試得出：新型監控系統運行更加穩定可靠，數據信息的響應速度更快，精度更高，當外部市電斷電情況下，也可保證該監控系統的正常運行；同時，監控界面能將設備的工作溫度、速度、電流、電壓、井下煙霧濃度等信號進行實時顯示和發送運行正常或故障報警的相關提示。該監控系統測試期間，操作人員僅需在監控室對設備進行監控，檢測設備故障的作業時間同比降低了60%左右，大大降低了人員的勞動強度，同時，設備的正常運行時間同比增長了30%左右，給企業創造了較大的經濟效益。由此，說明改進后的監控系統能更好地滿足HD-400型帶式輸送機的使用需求。

圖2 溫度檢測程序梯形

5 結 語

技術的不斷創新，必將帶動設備功能的完善提升，加大對現有設備及系統的技術升級改造，是更好地保證設備正常運行的主要手段，也是煤礦企業可持續發展的重要方向。