井下帶式輸送機運行監(jiān)測系統(tǒng)設計

王丹陽

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西大同 037000）

0 引言

帶式輸送機作為現代化煤礦生產的主要生產設備，幾乎從工作面到裝車站都需要其完成煤炭的輸送任務[1-2]。煤礦工況環(huán)境惡劣、運輸線路長、運輸量大且不均衡等原因對輸送機使用的影響較大，極易發(fā)生輸送帶跑偏、撕裂、堆煤以及電機、變頻器等設備出現故障[3-5]。目前簡單的微機監(jiān)測系統(tǒng)存在維護量大、穩(wěn)定性差等不同程度的缺陷，難以適應現代化和自動化煤礦建設、煤礦大量開采的需求[6-7]。因此，本文以PLC為現場控制器，設計一套帶式輸送機運行監(jiān)測系統(tǒng)，通過利用先進的網絡技術、傳感器技術、信息處理與分析技術等對輸送機的運行過程進行實時監(jiān)測與報警。該系統(tǒng)的投入使用對礦用帶式輸送機的穩(wěn)定運行具有十分重要的實際意義。

1 帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

1.1 常見故障

1.1.1 輸送帶故障

帶式輸送機的輸送帶由帶芯和覆蓋層等混合材料組成，既是牽引機構組成也是承載機構組成。輸送帶的組成結構和功能使其在高頻工作使用過程中極易發(fā)生打滑、撕裂、斷帶、跑偏等故障，因此是輸送機運行過程中重要的監(jiān)控對象。

1.1.2 驅動裝置故障

驅動裝置是輸送機動力組成的核心機構，主要由電動機、滾筒、聯軸器、減速器、液壓耦合器等組成[8]。其工作原理是先通過電動機對滾筒進行傳動，并依靠滾筒與輸送帶之間的摩擦力帶動輸送帶運行。煤礦在生產中常常會使輸送機承擔高負荷或在負荷變動大的工況環(huán)境運行，長時間惡劣的運行環(huán)境使得驅動裝置之間極易發(fā)生故障，從而造成輸送機的停機運行。對于電動機、滾筒、聯軸器、減速器、液壓耦合器等組成輸送機驅動裝置的故障監(jiān)測，傳統(tǒng)法是通過井下工作人員的觀察、巡視以及觸摸進行發(fā)現，具有一定的偶然性?；诖耍疚牟捎冒惭b相應傳感器，如減速器處安裝振動傳感器進行振動測試來判別減速器是否故障。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)方案

1.2.1 系統(tǒng)架構方案

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體架構圖

為實現帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)的網絡化、智能化、自動化管理體系，本系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由現場傳感檢測裝置、遠程控制模塊、實時通信、服務器等4個主要部分組成。如圖1所示的監(jiān)測系統(tǒng)整體架構圖，底層的傳感器、驅動裝置、閉鎖裝置等模塊為上一層的控制器提供實時監(jiān)測數據信息；位于第三層的控制器則將底層的數據收集并處理，同時將處理的數據結果上傳至井下以太環(huán)網中；井下以太環(huán)網構成整個系統(tǒng)的第二層結構，主要完成井上與井下數據通信；最頂層為服務器，主要負責收集存儲和處理整個礦井的數據信息。

1.2.2 故障監(jiān)測方案

通過對帶式輸送機常見故障的分析可知，故障之間具有一定的關聯性，加之帶式輸送機由眾多的機構組成，因此本文采用對某一點的監(jiān)測預防其他故障發(fā)生這一方案，如對輸送機張力的監(jiān)測可以對輸送帶打滑、跑偏以及斷帶故障進行實時監(jiān)測，對打滑故障的監(jiān)測又可以降低輸送帶著火故障的發(fā)生。根據帶式輸送機常見故障與安全問題的實際監(jiān)測反饋和經驗，將故障原因與特征進行分析總結，如表1所示，本系統(tǒng)將以此為依據對系統(tǒng)進行監(jiān)測方案制定。

表1 故障類型、特征、監(jiān)測參數對照表

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)設計的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)主要是對其生產過程進行實時數據的采集、傳輸、處理、判定、存儲與顯示，并且能夠對輸送機進行遠程監(jiān)控。為更加全面地對帶式輸送機進行監(jiān)測，本文采用分站監(jiān)測和移動巡視監(jiān)測兩種方式，如圖2所示。分站監(jiān)測主要通過安置在輸送機各個關鍵節(jié)點處的傳感器進行信號采集監(jiān)控，完成對打滑、斷帶、撕裂、跑偏等常見故障的監(jiān)測；移動監(jiān)測點主要完成對輸送機沿線附近的托輥溫度以及環(huán)境中的瓦斯等可燃氣體濃度的監(jiān)測。分站和移動監(jiān)測站獲取的信息通過轉化為電信號進一步處理為數字信號，通過中央處理器進行進一步處理與傳輸，中央處理器將信息傳輸給主站對數據進行分析，從而實現故障實時監(jiān)測、報警與存儲等功能。

圖2 式輸送機運行監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

2 硬件系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，如圖3所示。硬件部分由PLC控制單元、各傳感器檢測單元、電機以及電機變頻調速等組成。軟件系統(tǒng)則由上位機控制系統(tǒng)和數據存儲分析單元組成。由于煤礦井下工況環(huán)境復雜，對設備要求性能也更高，所以在設計硬件系統(tǒng)時優(yōu)先考慮安全性、穩(wěn)定性。整個硬件系統(tǒng)可分為PLC主控制器、電源模塊、存儲模塊、I/O接口模塊、顯示模塊、語音模塊、通訊模塊等。其中，語音模塊用于工作人員的操作語音和報警功能；顯示模塊用于輸送機實時狀態(tài)監(jiān)測畫面以及系統(tǒng)設置信息的顯示；PLC控制單元通過網絡交換機分別與顯示屏、檢測單元和下層控制單元相連接，通過對各類傳感檢測單元數據的采集與初步分析，將數據上傳至上位機監(jiān)測中心，得出相應控制策略，并將其指令通過通信單元下發(fā)給PLC，由PLC完成對現場各類開關、變頻器、保護裝置等設備控制，從而完成整個運輸機實時監(jiān)測過程，采用西門子公司的S7-200作為控制器；變頻器是輸送帶運輸動力系統(tǒng)的重要組成，為保證系統(tǒng)的長期可靠運行，選用具有矢量控制技術的QJR系列礦用隔爆兼本安型變頻調速裝置。

圖3 硬件系統(tǒng)整體結構圖

3 軟件設計

該系統(tǒng)的軟件編譯是通過STEP7應用軟件編譯，STEP7編譯的PLC控制程序是由主程序和各類子程序組成，通過模塊化編寫，可以將所需的控制任務劃分為若干模塊，程序能夠自上而下進行運行，故該系統(tǒng)具有很強的移植性，方便后期的調試和修改。圖4所示為系統(tǒng)的主程序，在初始化運行后分別調用輸入信號處理子程序、控制方式選擇子程序、過程監(jiān)測子程序、故障處理子程序等子程序的運行。

圖4 軟件系統(tǒng)主程序流程圖

4 結束語

本文對帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)進行總體設計，其中包含對輸送機常見易故障部件進行分析，并對系統(tǒng)的故障類型、特征、監(jiān)測參數進行監(jiān)測方案、系統(tǒng)架構方案制定，以及系統(tǒng)所需完成功能分析設計?；诖耍疚脑O計完成了一套井下帶式輸送機運行監(jiān)測系統(tǒng)，通過多層運行模式，現場以PLC控制器為核心對輸送機實時運輸狀態(tài)進行監(jiān)測。該系統(tǒng)的設計對輸送機的安全運行發(fā)揮了重要作用，極大滿足了煤礦安全生產的需求。