井下皮帶輸送機運行狀態在線監測系統

張亞鵬

（山西焦煤霍州煤電集團河津騰暉煤業有限責任公司，山西運城 043300）

0 引言

皮帶機是可以連續作業的一種運輸設備，其優勢在于距離長，運送的能力較強，費用低，方便進行遠程狀態監測和集中自動化智能控制。在煤礦的生產中具有重要作用，它的運行狀態對煤礦企業生產經營效益有著直接的影響。生產過程如果出現跑偏，堆煤及煙霧等故障，都會降低運輸能力，甚至是停產，從而造成比較嚴重的經濟損失，甚至是毀壞設備，危及財產和生產等重大事故。

本文以國內某煤礦作背景開展研究，根據生產場地要求及井下作業狀況，把通信、計算機、傳感以及PLC等技術結合，設計研發一套可以對井下運行的皮帶機進行在線狀態實時監測的系統[1]。

1 皮帶機相關系統特征和問題

1.1 皮帶機結構

皮帶機主要由輸送帶、托輥、機架以及驅動、清掃和保護及拉緊等裝置構成，如圖1所示。皮帶機出現故障的主要部位是驅動裝置，其主要功能是給皮帶提供動力牽引，使其運行正常。驅動裝置的主要構造包括電動機、減速機、聯軸器、液力器和制動器等。

皮帶機工作運行的原理：輸送帶纏繞滾筒傳動，滾筒改向，滾筒拉緊成環狀，拉緊裝置給皮帶機傳遞適合的張力，如果皮帶機運行正常，驅動裝置帶動滾筒，然后借助滾筒和輸送帶之間產生的摩擦力驅使皮帶機不間斷連續運行[2]。

1.2 存在問題及解決方向

（1）不平衡問題。在皮帶輸送機使用中出現轉子質量偏心及零部件損失。經實踐總結發現，安裝及加工中的誤差或是不均的材質是造成轉子發生質量偏心的主要原因。

（2）不對中問題。皮帶機在運行中受到高載荷的影響，導致軸承與聯軸器以及傳動軸變形等。

（3）油膜振蕩問題。一般是受軸承滑動油膜所引發的自激性振動，在達到一定轉數值的時候，轉子會出現半速渦動，在轉速達到2倍以上時產生共振，表現出來的就是強振動現象。

皮帶輸送機在系統中存在的這些問題會導致跑偏、煙霧、速度不穩定等故障，這些故障能夠通過檢測系統直觀清晰地監測到。所以，對皮帶機運營過程的檢測，能夠預防事故發生，或在發生事故時及時準確地找到故障發生的部位及類型，并能夠在最快時間維修，從而有力地保障煤炭生產[3]。

2 皮帶傳輸機監測系統設計及結構

2.1 檢測設計要求

要求能夠實現下面功能：（1）實時監測設備生產運行功能；（2）異常情況預警及發現故障報警功能；（3）設備運行數據自動記憶記錄功能；（4）系統智能閱讀查詢功能；（5）設備故障快速診斷功能；（6）無線振動式傳感器數據監測功能。

2.2 設計相關檢測功能結構

系統結構主要包括物理層、信息分析處理層和數據采集和傳輸層3個部分。

（1）物理層的主要構成包括振動、溫度以及保護設備傳感器。主要的功能是實現皮帶機各項現場運行數據的信息采集。

（2）數據的采集層和傳輸層指的是井下PLC分站，由PLC同觸摸屏構成。經由PLC與擴展模塊實現對系統狀況的監測及數據的分析處理，嵌入式觸摸屏負責呈現監測畫面并保持與上位機之間通訊[4]。

（3）信息分析處理層也就是上位機，主要負責對皮帶機實時狀態的顯示及信息記錄，查詢監測歷史曲線和數據以及報表和報警等相關記錄，同時具備異常狀況預警和故障發生報警等功能。

該套監測系統選用PLC控制和觸摸屏以及組態及通信等現代化技術，實現皮帶機井下運行狀況的可視化遠程監測，組態系統界面直觀且操作方便[5]。

3 系統相關硬件結構設計

3.1 結構及其原理

（1）該套系統硬件重要的組成部分包括井下和地面兩部分構成，具體構成如圖2所示。這兩個部分是經以太網進行連接的，井下狀況的監測部分由3個分站構成，每個分站的核心都是由PLC控制器完成，主要結構一般分為安全型防暴隔離箱、礦用傳感器、觸摸屏以及PLC及擴展功能模塊等部分[6]。

圖2 硬件系統組成

（2）工作原理。各傳感器對皮帶機運行過程信息狀態進行采集，采集的信號傳送于PLC，PLC對這些信息進行運算、處理、判斷、分析，實時對皮帶機進行檢測，并且將各信息傳送于觸屏，由觸屏顯示出信息以供工作人員觀察，最后再由光纖傳送于地面上位機，最終達到遠程監測功能。當傳感器傳輸數據大于預警值時，系統進行預警提示操作人員診斷。當數據大于報警時，設備停機維修。

3.2 PLC及模塊控制原理

PLC采用西門子S7-200，震動傳感器監測點選在減速器主軸前后軸承處、耦合器主軸前后軸承處、電機主軸前后軸承處，共有6個檢測點，每個傳感器對水平X方向、垂直Y方向進行測量。系統需要24個傳感器，所以要用24路輸入的模擬量，需要3個8路西門子EM231模塊來實現[7]。

溫度傳感器測試點在電機主軸前后，每個采區有2個電機，所以要用4個傳感器及1個EM231模塊。

開關輸入為7個按鈕輸入、1個傳感器速度開關輸入、4個傳感器煙霧開關輸入、6個傳感器撕裂開關輸入、2個傳感器堆煤開關輸入、6個傳感器跑偏開關輸入。

4 軟件系統設計

4.1 組態軟件MCGS相關設計

工控MCGS組態軟件能夠實現計算機快速搭建監測系統，可以提供給用戶工程實際問題相關的設計方案及開發平臺，能實現現場采集數據、數據實時處理、安全報警機制、畫面顯示、報表輸出及流程控制等相關的功能。

4.2 相關PLC程序設計

系統選用S7-200西門子編程軟件，控制臺上安裝5個監測控制按鈕，分別是顯示主界面、實時曲線、歷史報表和報警記錄的按鈕，還有輪詢按鈕等。操作人員就是通過操作這些功能按鈕來完成工作任務的。

（1）系統模數程序轉換

通過振動和溫度兩個傳感器輸出電流信號，PLC處理的系統數據必須是數字量，傳感器輸出的模擬信號大都是4～20 mA電流或者是0～5 V電壓，所以系統采集的信號一定要通過A/D進行轉換之后PLC才可以處理，經由EM231完成模數的信息轉換，最終得出實際需要工程值[8]。

（2）系統預警及報警的相關設計

系統經過對皮帶運輸機運行參量的實時監測，經過比較和分析實現預警及報警。當模擬量數值比預警值高時，表示系統出現異常，這時系統開始預警；當數值超出報警值時，系統就會通過聲光進行報警并同時停機，以便開展維修[9]。

（3）系統對狀態的監測

將系統采集的參數值和預先設置好的預警及報警的值加以比較，若監測參量沒有超過設定范圍，表示皮帶運輸機狀況良好；若超出預警及報警范圍值，表示皮帶運輸機工作異常。

5 結束語

本文根據PLC程序對皮帶機進行監控，從而掌握了解運行的皮帶機使用狀態，預測、評價皮帶機使用的可靠性以及能夠預見可能發生的故障，并能夠對故障大小、部位、原因進行分析甄別，以及達到對故障發展進行預測，從而節約維修所用時間。系統能夠達到遠程監控皮帶機運營可視管理，進而確保皮帶機穩定、連續運行，提升了煤炭設備自動化、信息化的水平，從而為煤炭企業的發展提供了良好的動力。