礦用皮帶機監控系統設計與應用研究

溫福海

（山西潞安化工集團余吾煤業有限公司，山西 長治 046103）

引言

煤炭運輸是煤炭生產過程中的一個重要組成部分。隨著科技的發展、礦井生產規模的擴大，運輸系統也在不斷變化和進步。皮帶機因輸送距離長、體積大、連續輸送、運行可靠、易于自動集中控制而成為關鍵設備。皮帶機是一種連續的輸送設備，它依靠輥的表面摩擦力來驅動皮帶運行[1]，具有輸送量大、使用維護方便和能耗低的優點[2]，是地下礦井運輸的主要設備[3]。礦用帶式輸送機（簡稱為“皮帶機”）長時間在高速、重負荷下工作時，容易發生輸送帶打滑、偏斜、過熱、機頭堆煤、輸送帶縱向撕裂[4]等情況，造成皮帶、電機、減速器、輥子等損壞。皮帶機監控系統從20世紀40年代開始發展，早期的現場基準計和繼電器構成了控制系統的前身。以PLC和DCS為代表，構成了第三代控制系統[5]。國產皮帶機監控系統存在故障誤報率高、擁有多個獨立監控保護系統、信息反復采集、難操作等問題[6]，對在狹小惡劣井下工作的工人來說并不友好[7]。因此，盡管當前的監測監控系統都能實現皮帶機監控的基本功能，但隨著技術發展和需求的提高，需要準確診斷并及時處理。該系統基于信息融合技術、融合控制系統、軟啟動系統、故障檢測系統，可以獲得更詳細、更準確的信息。

1 總體設計

皮帶機監測監控系統總體設計圖如圖1所示，系統采用集中分布式結構，通過控制組合配電單元，全面監測皮帶機工況。系統主要由主控制器和皮帶沿線設備兩大部分組成，主控制器通過RS-485總線連接配電控制模塊（A～H），通過CAN總線控制語音報警模塊、沿線管理模塊及IO模塊，通過IO模塊實現跑偏、溫度、帶速、綜合控制等信號收集。皮帶沿線設備包括多功能擴音電話、沿線急停開關、下位機、終端采集設備等，其中1號、2號機尾下機位安裝跑偏及撕裂監控器，2號機頭下位機集成了溫度、帶速、煙霧及綜合控制監控器，皮帶沿線設備采用18 V電源線供電，并通過礦用8芯電纜連接主控制機。

圖1 皮帶機監測監控系統總體設計圖

2 硬件系統設計

根據煤礦特殊的現場環境和系統功能要求，系統硬件選擇如下頁表1所示。試驗驗證和功能測試結果表明，每個模塊的硬件電路均具有預期的功能，工作可靠穩定，并能滿足預期的設計要求。下頁表1中主要部件的選擇滿足了系統各部分的要求，同時使系統高度可靠和穩定。

表1 系統硬件器件表

3 監測監控系統的軟件設計

皮帶機監測監控系統流程如下頁圖2所示，主要分為系統啟動、初始化、分配地址、查詢設備的工作狀態、故障處理等版塊。監控系統有三種工作模式，在集中控制模式下，皮帶機和給煤過程由中心控制，同時需輸入各種保護裝置。在本地控制模式下，機器由手動按鈕控制，操作人員可通過PLC按下。在維護條件下，皮帶和給煤機也通過手動按鈕進行控制。操作人員也可在觸摸屏中選擇保護裝置是否需要介入。

圖2 皮帶機監測監控系統流程圖

系統工作模式由控制臺上的三個位置選擇器開關選擇，每次只能選擇一種工作模式。當皮帶和給煤機運行時，工作模式不能改變。觸摸屏中的指示燈可顯示當前的工作模式。

監控系統用于單帶和給煤機的監控。在集中控制模式下，按下啟停按鈕時，允許皮帶啟動或停止。如果有多個皮帶，啟動信號可以由上一條皮帶給出，其方向不同于煤流。停止信號可以由與煤流方向相同的皮帶發出。設定時間可根據皮帶機的速度來確定。

4 人機交互界面

4.1 主控制界面

圖3是監控系統的主控制界面，它顯示了輸送機運行時的大多數實時工作狀態信息，主要包括運行模式及狀態、急停狀態及位置顯示、沿線所接設備信息、每部皮帶機工況狀態、沿線設備數量指示燈、終端電壓，以及地址排序、集控啟停、故障復位三個按鈕。

圖3 監控系統主控制界面

4.2 故障診斷界面

編寫故障診斷程序，并將關鍵組件（如電動機、減速器和滾筒）的故障診斷功能添加到皮帶機監控系統中。故障診斷人機界面旨在實現在皮帶機運行時實時顯示輸送機關鍵部件的健康和工作狀態信息，并實現皮帶機一體化。皮帶機的監控和故障診斷功能界面顯示如下頁圖4所示。

圖4 故障診斷窗口

5 結語

針對皮帶機的常見故障及現有監控系統的不足，結合現場調查和實際需求，開發了一種綜合性高、功能全面、可靠性高、性能可靠的自動皮帶機監控監測和故障診斷系統。結合實際工作，選擇系統各模塊的硬件電路，設計并編寫相關的軟件程序，并開發人機界面和程序。經驗證后，系統已達到設計要求。