同家梁煤礦帶式輸送機運行狀態監控系統設計研究

李雅蘭

（晉能控股集團同家梁礦，山西 大同 037000）

1 概況

同家梁礦位于大同煤田東南部，井田面積28.86 km2，主要為侏羅紀煤層，硫和灰分含量低，為優質煤層。礦井設計為立井多水平開拓方式，共布置六個井筒，煤炭開采主運輸系統為軌道礦車和帶式輸送機串接混合運輸方式，各盤區煤流通過穿層溜煤眼流入帶式輸送機到集中溜煤眼，后轉載底卸式礦車運至底卸坑，通過主井帶式輸送機進入主井煤倉后提升到地面。同家梁礦DSJ70 型帶式輸送機服役年限長，故障風險高，簡單的啟停控制系統無法及時識別潛在故障，且一旦出現故障停機，定位故障類型和故障點難度較大。針對存在的問題，進行帶式輸送機實時狀態監測和控制系統設計。

2 運行狀態監測系統故障識別原理與總架構設計

（1）故障識別原理

帶式輸送機打滑、跑偏、撕裂、托輥運轉不靈活、皮帶斷帶等故障都會直接體現在不同部位皮帶速度對比以及速度變化趨勢上[1]，輔助驅動滾筒和改向滾筒的轉速監測能夠更好地識別出設備故障。采用編碼器進行皮帶速度監測，編碼器安裝位置如圖1。

圖1 帶式輸送機皮帶速度監測示意圖

圖中編碼器1～3 用來對皮帶不同位置壓帶輪的轉速進行測算，編碼器4 測量驅動滾筒的轉速，編碼器5 測量改向滾筒的轉速，由下式進行轉速與皮帶線速度的轉換[2]：

式中：v代表編碼器安裝處皮帶的線速度，m/s；D代表壓帶輪或滾筒的直徑，m；n代表編碼器監測顯示的壓帶輪或滾筒轉速，r/min。

如通過各編碼器監測計算出的皮帶線速度相等，則說明帶式輸送機運行狀態良好，無故障；反之，則表明帶式輸送機存在故障，然后根據安裝在輸送系統中的各類開關量傳感器進一步定位故障類型，實現故障實時自動診斷。

（2）系統總體設計架構

帶式輸送機運行狀態監控系統主要實現運行狀態參數監測與顯示、故障核心參數值監控、故障報警與連鎖動作、歷史監控數據查詢與打印等功能，總設計架構如圖2。系統主要由數據采集元件、數據處理模塊、狀態顯示模塊以及輔助模塊構成，其中數據采集元件分為各類信號采集傳感器即溫度、張力、帶速、轉速和油壓傳感器；狀態監測開關即堆煤、急停、跑偏、煙霧、撕裂和抱閘開關等；電量監測電壓電流互感器等；故障報警與連鎖模塊的核心設備是PLC、通訊模塊以及其他擴展模塊，執行數據接收、邏輯運算、動作指令發出以及反饋信號接收等；狀態顯示模塊包括上位機以及就地顯示設備等；輔助模塊實現信號轉化與傳輸、結果查詢與打印功能。

圖2 帶式輸送機運行狀態監控系統架構圖

3 運行狀態監測硬件設計

（1）傳感器選型

系統數據采集依托各類模擬量傳感器和狀態監測開關，選擇依據為數據采集精度和抗信號干擾能力以及安裝方式[3]，保證在井下工況下能夠長期穩定準確地采集相關數據。表1 列舉了帶式輸送機狀態監控系統的主要傳感器型號和信號輸出類別。

表1 傳感器與監測開關型號匯總表

傳感器位置的選擇是系統狀態監測準確的要素[4]，以跑偏開關為例，位置安裝圖如圖3。分別在機頭、機尾和兩側安裝，保持其與皮帶正常運行狀態下間距35 mm，距離的選擇即考慮到避免系統對皮帶正常偏差導致的誤報警，又保證其在跑偏故障發生前期及時識別并報警。皮帶同側安裝的跑偏開關間距選擇2.5 m 以平衡系統成本與故障識別靈敏度。

圖3 KGE9A 型跑偏開關安裝示意圖

（2）PLC 相關模塊選型

選擇工業用西門子S7-200 型可編程控制器作為核心數據處理單元，根據信號監測類型和數量，確定擴展模塊[5]。系統共接入輸入模塊的模擬量8 路，分別是四個減速器上的振動傳感器和四臺稀油站上安裝的油壓傳感器[6]。考慮到系統備用模塊，選擇三個EM231 模擬量擴張模塊。考慮到將來系統的升級及擴展，CPU 擴展模塊采用CPU226。

（3）硬件平臺搭建

系統硬件平臺搭建如圖4。本安型攝像設備實時采集帶式輸送機關鍵部位畫面，通過交換機信號傳輸至監控上位機，供監控人員在線判斷輸送機狀態[7]。各類傳感器智能儀表采集狀態參數并輸出模擬量經CPU226 上的RS-485 接口輸入到S7-200 可編程控制器，電子皮帶秤通過總線將數據輸入到PLC，轉速傳感器、油壓傳感器、振動傳感器直接與監控柜中模擬量輸入模塊EM231 或者CPU226 上的數字量輸入端子相連。PLC 接收到這些狀態監測信號后通過通訊模塊完成信號識別轉化后，按照設定的程序進行數據處理，判斷帶式輸送機的運行狀態或故障類型，并執行連鎖控制信號的發出。狀態監測判斷結果以及報警或控制停機等邏輯控制結果通過交換機上傳到系統上位機進行顯示，同時上位機負責對監控參數和判斷結果數據儲存，當需要進行歷史數據查詢時，還能根據存儲數據自動生成運行狀態歷史曲線圖，并附帶打印功能[8]。

圖4 系統硬件平臺搭建示意圖

4 運行狀態監測軟件設計

軟件設計中的主監測模塊能夠將系統監測的帶式輸送機狀態的全部參數顯示在系統上位機對應界面中，上位機監測界面主要包括了帶式輸送機狀態參數界面、運行仿真界面、故障監測報警界面以及歷史數據查詢界面等，界面各數據實時更新，監測數據超過設計閾值后，會自動跳轉報警界面，發出聲光報警，并啟動綜合保護程序。綜合保護邏輯控制流程如圖5。

圖5 系統綜合保護邏輯控制流程

當系統監測到帶式輸送機出現故障時，首先進行聲光報警，然后根據故障診斷結果的不同，有差別執行連鎖控制程序：如果出現打滑、縱撕、嚴重跑偏以及堆煤等情況，系統會立即向帶式輸送機上游設備發出急停指令，對下游設備發出延時停機指令；如果系統監測到出現斷帶故障，除了執行上游設備急停與下游設備延時停機連鎖動作外，還會對斷帶處進行圖像抓捕并顯示在上位機界面；如監測到帶式輸送機工況環境溫度高，超出溫度設定閾值，則執行灑水降溫指令，溫度下降后，停止灑水。

5 效果分析

為了對設計系統的運行狀態監測、故障信息識別與綜合保護等功能有效性進行驗證，搭建了系統測試平臺，采用等比例縮小的帶式輸送機模型對監控系統測試。帶式輸送機模型機上電后正常運行，上位機組態界面中顯示設備運行正常，各監測參數均能顯示，且速度、溫度、振動等參數均未超過設定閾值，與實際運行參數基本相同。人為在皮帶壓帶輪上涂抹潤滑油，模擬皮帶長期拉伸下出現的打滑故障，系統故障報警，皮帶速度監測值超出閾值低值，上位機故障診斷界面顯示診斷結果為打滑。診斷結果支撐程度顯示為98.10%，這是由于設計的故障診斷系統是通過多方位參數比對結果確定的，表明故障診斷系統有效、準確，控制信號指令接收端接收到停機與延時停機信號。

6 結語

對同家梁煤礦運輸系統中的DSJ80 型帶式輸送機進行運行狀態監測與控制系統設計，實現了輸送機皮帶速度、溫度、振動值、電流、電壓狀態參數實時監測，輸送機皮帶跑偏、打滑、堆煤、斷帶、高溫等故障實時診斷，故障發生時輸送系統的綜合連鎖動作保護等功能，提升了帶式輸送機運行自動化和智能化。