煤礦主井皮帶運輸機在線監測系統研究

宋振海

（陽煤集團機電動力部，山西 陽泉045000）

引言

近年來隨著煤炭需求量的不斷增加，對皮帶運輸機工作穩定性要求越來越高，但是因皮帶運輸機輸送路線較長，中間環節極為復雜，運行過程中經常出現跑偏、打滑、堆煤等故障，導致采煤工作停滯，嚴重制約了原煤開采產量的進一步提升[1-3]。智能設備發展過程中在線監測系統應運而生，極大地提高了設備的自動化、智能化的水平，減少了設備的人員投入，為設備的安全可靠工作提供了重要保障[4-5]。

1 在線監測系統總體方案的設計

皮帶運輸機在線監測系統核心控制部件采用的是PLC，控制方式以遠程監控為主，就地操作為輔，根據在線監測系統的設計需求，完成了方案的設計，如圖1所示，主要包括操作層、控制層和設備層。在線監測系統的設計是以其常見的故障為基礎，選擇相應的傳感器，完成數據的采集，如跑偏、速度、溫度等信號，并將相關數據實時傳輸至PLC控制分站，之后PLC主站借助以太網完成與控制分站和上位機的通信。相關工作人員能夠通過人機交互界面監測各個設備的運行狀態、參數變化、實時曲線以及故障信息等，也可以對指定的設備發送控制指令，完成控制指令的傳輸，實現皮帶運輸機的實時監控。

圖1 在線監測系統總體設計方案

2 在線監測系統硬件結構設計

在線監測系統硬件結構主要包括三個層次，即地面控制層、井下控制層和受控設備層，如圖2所示。地面設有遠程控制室，包括上位機、控制主站等，上位機與控制主站之間通過以太網實現通信。控制主站之下設置3個控制分站，分別控制3臺皮帶運輸機，完成傳感器采集數據的整合與處理。

圖2 在線監測系統硬件結構

2.1 控制主站

系統中控制主站采用S7-300型號的PLC，因控制主站與分站、上位機之間采用的是以太網進行通信，故主站不需要配置擴展輸入和輸出模塊，僅需完成CPU模塊和電源模塊的設計。CPU的型號為315-2PN/DP，供電電源為24 V DC，具有以太網TCP/IP協議的PROFINET接口。電源模塊型號為PS30710A，其能夠將變壓器輸出端的AC 127 V/220 V電壓，經整流壓變得到DC 24 V，為在線監測系統供電。

2.2 上位機

上位機通過以太網與控制主站完成數據傳輸，并將相關狀態數據顯示在人機交互界面，實現作業人員對于皮帶運輸機的實時監測，也可以對其進行遠程控制。計算機采用的是美國工業計算機，型號為DELL755DF。為了保證系統能夠不間斷工作，增加了UPS電源，不斷電的情況下其相當于導線，在系統斷電時被激活，為系統提供電能，避免計算機數據丟失以及PLC器件的損毀。UPS電源的輸入電壓為220 V（50 Hz），輸出電壓為AC 220 V，輸出功率為6 kVA。

2.3 控制分站

系統控制分站主要包括CPU、電源模塊、I/O模塊，選擇型號為315-2PN/DP的CPU，配置PS30710A電源模塊，提供DC24V電源，為CPU的正常工作提供保障。數模轉換模塊分別選擇型號為SM331和SM322模塊，前者包括8個模擬量輸入點，電源電壓為24V，模擬量電壓輸入范圍為0～+10V，電流輸入為0～20 mA，后者擁有32個數字量輸出點，輸入電壓為直流24 V，輸入電流為110 mA，功耗為6.6 W。

2.4 傳感器

在線監測系統數據主要來源于傳感器，包括速度傳感器、跑偏傳感器、撕裂傳感器、堆煤傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，為了保證傳感器能夠在煤礦井下可靠工作，其選型至關重要。

皮帶運輸機跑偏信息數據采集選擇型號為GEJ-30的傳感器，安裝于滾筒皮帶旁邊或者兩側的固定架上，位移桿垂直于皮帶表面，皮帶跑偏時碰觸位移桿，當跑偏量超過一定值時立即報警。速度信息數據采集采用的是運放LM358電壓比較器電路完成皮帶運輸機滾輪轉速的檢測，當驅動滾輪速度大于從動滾輪速度一定值時，認為皮帶出現了打滑。皮帶堆煤量的檢測采用型號為GUJ30的傳感器，防止出現煤炭的過量堆積損毀皮帶。煤倉物位數據信息采集選用型號為GUJ50的傳感器，用于檢測煤倉內物料的高度。皮帶撕裂信息的采集選擇型號為GVC20的傳感器，一般安裝在皮帶機的下方，皮帶無故障時傳感器正常斷開，出現故障時，傳感器接通報警，接線方式如圖3所示。溫度信號數據的檢測選擇型號為DS18B20的傳感器，主要檢測皮帶滾輪的溫度，避免因其溫度過高導致火災，必要時可以自動開啟噴水裝置，接線如圖4所示。同時還配置了煙霧傳感器和電子皮帶秤選擇傳感器。

圖3 撕裂傳感器接線圖

圖4 溫度傳感器接線圖

3 軟件設計

3.1 主程序

在線監測系統啟動之后CPU將會循環執行主程序OB1，通過運行主程序調用其他的邏輯功能模塊，以實現皮帶運輸機運行狀態的監測功能。主程序就是對整個監測系統的數據采集、設備控制、故障診斷三個模塊進行集成編寫，其具體的程序如圖5所示。

圖5 系統主程序

3.2 數據采集

系統模擬量選擇的是4～20 mA電流信號，更有利于抑制井下環境的信號干擾。數據采集過程中，傳感器輸出的模擬量信號優先接入由線性光耦HCNR200組成的光電隔離電路中，之后進入PLC的數模轉化模塊，將模擬量轉換為數字量，實現將傳感器采集得到的轉速、溫度、電流等信息轉化成4～20 mA的數字量，顯示在上位機的人機交互界面，供操作人員觀察并做出相應的指令控制。

3.3 故障診斷

系統故障診斷功能的實現主要依賴于傳感器，通過循環檢測故障信號的模式，完成皮帶運輸機運行過程中溫度、煙霧、堆煤、跑偏、撕裂、打滑、急停等故障的判斷。當檢測得到皮帶溫度過高或者起煙等故障時，系統將會自動啟動灑水裝置；當檢測得到皮帶跑偏、撕裂、堆煤等故障時，系統會自動啟動聲光報警裝置，進行停機處理。具體的故障診斷程序流程如圖6所示。

圖6 故障診斷程序

3.4 上位機

系統上位機的設計采用MCGS組態軟件，能夠根據系統設計功能和現場操作需要完成界面的設計。主界面作為操作人員頻繁使用的界面，能夠快速完成模式選擇、啟動方式、設備控制等功能的選擇。皮帶機運行過程中能夠觀察動畫工藝流程，了解設備運行情況，當皮帶機出現故障時，能夠顯示故障位置及其可能的原因。當工作人員想要知道皮帶機的運行參數、報警詳情、參數設定等情況，可以通過主界面進行界面切換，如圖7給出了皮帶運輸機在線監測系統的主界面。

圖7 上位機主界面

4 應用效果評價

為了驗證皮帶運輸機在線監測系統的設計效果，將其應用于某煤礦主井皮帶運輸機并對其進行了為期半年的跟蹤記錄。結果表明，在線監測系統運行穩定可靠，滿足皮帶運輸機對于在線監測系統的設計要求。系統應用過程中成功監測得到皮帶跑偏故障8起、堆煤故障2起、溫度過高1起，均在人機交互界面進行了顯示，給出了對應的預警信號，避免了故障的進一步擴大，在監測系統的指示下很快確定了故障位置，及時排除了故障。據相關專業人士估計，該系統的投入使用，皮帶運輸機的人員投入成本降低約32萬元/a，故障排除效率提升近30%，煤炭開采產量提升近15%，直接產生經濟效益近200萬元/a，取得了很好的應用效果。