礦用帶式輸送機智能監控系統設計與研究

宋 凱

(晉能控股集團 晉城煤炭事業部 長平公司，山西 晉城 048000)

0 引言

帶式輸送機作為煤礦原煤運輸的主要設備，目前正朝著自動化、智能化方向不斷發展[1-3]，目前國內大多數煤礦的皮帶機監控系統停留在人工故障排查及結構簡單、自動化程度低下階段，不僅人力及設備成本耗費較大，而且無法對故障隱患點較多的長距離皮帶機實現有效的監控，極易發生故障定位模糊、信息采集延時性大及誤操作等問題，無法滿足煤礦自動化建設需求。

針對以上問題，本文在傳統礦用皮帶機監控系統的基礎上，通過多傳感器融合技術對煤礦帶式輸送機的運行狀態進行實時監測，可對傳送帶撕裂、跑偏、打滑、超溫及電機、滾筒等主要部件的故障情況進行及時報警及診斷處理。同時系統采用主從PLC控制結構可有效提高系統控制精度及運行效率，通過工業以太網+RS485組合通信網絡模式對監控數據進行實時快速傳輸，最大限度地提升帶式輸送機運行狀態監測的全面性及實時性，從而有效保證煤礦帶式輸送機的安全、高效、自動化運行，對于提高煤礦運輸系統智能化水平具有一定的促進作用。

1 監控系統方案確定及功能分析

1.1 監控系統方案選擇

本監控系統的方案根據山西晉城某煤礦帶式輸送機系統的現場實際情況進行選擇制定，首先需對該皮帶機系統的故障頻發點進行分析。

由于煤礦帶式輸送機長期處于高速及高運量的工作狀態下，加之井下惡劣環境及人為因素的影響，該煤礦的皮帶機運行易出現以下故障：

(1) 傳送帶撕裂。當發生機頭堆煤或機尾原煤下落時，形狀不規則的物料會扎破、劃傷傳送帶，從而引起皮帶機傳送帶縱向撕裂。

(2) 機頭堆煤。當下部皮帶機未能及時將上部皮帶機機尾處原煤及時運走時，會造成煤炭堆積導致電機堵轉。

(3) 傳送帶跑偏、打滑。受滾筒安裝結構不良、傳送帶張力不足及滾筒磨損嚴重等影響，皮帶機在運行過程中易發生傳送帶位置偏離、打滑故障，進而引起皮帶撕裂、起火等事故。

(4) 傳送帶溫度過高及煙霧產生。當發生皮帶打滑等故障時，皮帶與滾筒間較大的摩擦會導致傳送帶局部溫度過高并產生煙霧，進而引發火災等嚴重事故[4-6]。

(5) 皮帶機主要電氣及傳動機構故障。帶式輸送機的驅動電機、減速器及滾筒等主要部件在運行過程中極易發生過熱、漏油、齒輪及軸承磨損、松動甚至損壞等故障，導致皮帶機無法正常工作。

1.2 監控系統基本功能

通過分析帶式輸送機易發生的故障，本系統的技術路線確定為傳感器故障監測點數據實時采集、主從PLC配合控制、上位機智能化人機交互平臺遠程監控三部分。由于原皮帶機系統的智能化程度較低，僅憑設備自帶的儀表無法實現帶式輸送機的全面監控管理，根據現場監控需求，確定了系統需具備以下基本功能：

(1) 帶式輸送機運行狀態實時監測。系統可對帶式輸送機帶速、溫度、電機及減速器振動量及電壓電流等主要參數進行實時精確采集，并通過上位機交互界面實時監測。

(2) 故障預警診斷功能。系統可對帶式輸送機可能發生的傳送帶打滑、撕裂、跑偏及超溫、堆煤、煙霧等故障進行及時報警并通過上位機對故障進行診斷分析及事件記錄。

(3) 自動控制功能。系統可通過上位機及PLC控制變頻器輸出從而實現帶式輸送機軟啟動、自動啟停張緊等控制功能。

(4) 智能化人機交互平臺。系統可通過遠程監控平臺直觀顯示帶式輸送機各項運行狀態并進行相應曲線實時繪制，同時具備數據分析管理、存儲記錄等功能。

2 帶式輸送機監控系統設計

在確定監控系統方案后，采用模塊化架構對監控系統進行設計，將系統分為上位機監控平臺、通信網絡、PLC控制模塊、變頻驅動模塊及運行參數采集模塊五大部分，從而實現對皮帶機的全方位監控、數據傳輸、遠程控制及故障報警。帶式輸送機監控系統結構如圖1所示。

圖1 帶式輸送機監控系統總體結構圖

由圖1可知，上位機監控平臺用于輸送機運行狀態遠程監測顯示及控制指令下達等功能的實現，帶式輸送機運行參數的采集由采集模塊中的各類傳感器完成，變頻驅動模塊主要由變頻器組成，用于實現皮帶機軟啟動及啟停張緊控制。PLC控制模塊用于運行參數上傳及控制指令下達，為了進一步提高控制效果，系統采用主從PLC控制結構對多臺輸送機實現集中控制。系統上位機與主控PLC之間的通信采用工業以太網，主控PLC與各分站采用RS485總線通信方式[7]。

2.1 皮帶機監控系統硬件設計

本系統的硬件設計主要集中于主從PLC控制站及運行參數采集模塊中的各類傳感器，上述兩部分是實現系統功能的核心模塊，對其進行合理的設計與選型至關重要。

綜合考慮系統控制需求及經濟性，本文選用S7-300可編程控制器作為本系統的主從控制站，主控芯片型號選用具有支持以太網協議的Profinet接口及RS485通信接口的315-2PN/DP緊湊型CPU，其豐富的通信接口可滿足本系統的數據傳輸及通信需求。

運行參數采集模塊可對帶式輸送機各類運行數據進行集中采集，其傳感器的數量及類型需根據系統監測量及故障類型進行選擇，如表1所示。

表1 運行參數采集模塊傳感器類型及型號選擇

其中，GSD4的測速范圍為0～8 m/s，基本誤差及線性度誤差均≤±2.5%FS，可滿足本系統帶速采集需求；GEJ30動作角度為30°±3°，觸桿動作力為20 N～100 N，探桿轉動極限角度≥70°，可對皮帶跑偏位移進行有效監測；GWP200具備40 ℃、50 ℃、70 ℃三個溫度檔位，工作電壓為DC 12 V～DC 24 V，可輸出4 mA～20 mA標準電流信號；ZH-40134采用24位A/D采樣，其電流量程為1 A～30 A AC，電壓量程為10 V～450 V AC，頻響范圍為45 Hz～400 Hz。

2.2 皮帶機監控系統軟件設計

本文以組態王軟件為基礎對帶式輸送機智能監控系統軟件進行設計，整個系統軟件可分為數據采集子系統、顯示交互子系統、自動控制子系統及用戶數據管理子系統四部分。其中數據采集子系統負責輸送機運行狀態參數采集與上傳；顯示交互子系統主要為智能人機交互界面，可進行運輸機運行模擬顯示、工況參數顯示、實時曲線顯示及故障信號顯示等；自動控制子系統主要負責運輸機的電機及變頻器遠程控制，從而實現運輸機軟啟動、自動啟停張緊等操作；用戶數據管理子系統主要負責數據存儲、歷史事件記錄查詢、用戶登錄注銷等。帶式輸送機智能監控系統軟件功能如圖2所示。

圖2 帶式輸送機智能監控系統軟件功能圖

3 監控系統試驗與調試

本節在實際使用環境下搭建了測試系統，從而驗證監控系統的各項關鍵功能及系統穩定性，系統實際運行測試結果如下：

(1) 通信功能測試結果：在對RS485通信程序進行測試和修改后，有效解決了系統通信失敗、數據長傳不完整問題。在連續15次的通信測試中，系統地址自動排序功能穩定，人機界面參數顯示及刷新正常，未出現掉線現象。

(2) 監控功能測試結果：系統運行后上位機可實時顯示皮帶機帶速、電機及減速器溫度、皮帶張緊力、電氣設備電壓電流等參數，測量誤差均≤5%。通過上位機可實現對不同皮帶機的單個遠程控制、集中控制及就地控制。

(3) 故障報警定位功能測試結果：測試試驗通過閉鎖開關、信號發生器及直流電源分別模擬了不同信號量的跑偏、打滑、撕裂、堆煤、超溫等故障，監控系統均可對不同類型的故障量進行快速響應和定位報警，系統故障響應時間<1 s，故障報警定位功能可靠性滿足要求。

4 結束語

本文在傳統帶式輸送機監控系統的基礎上，采用主從PLC控制結構實現了對多臺帶式輸送機的集中監控，進一步提高了系統的控制效果。同時采用工業以太網+RS485組合通信方式對系統通信網絡進行架構，有效提高了數據傳輸效率及容量，實現了煤礦帶式輸送機運行狀態遠程智能監測及自動控制功能，對于提高煤礦自動化水平具有一定意義。