井下帶式輸送機保護傳感器動作特性測試系統的研究

劉云楷李 杰孟祥忠王振起

(1.淄博礦業集團有限責任公司葛亭煤礦,山東省濟寧市,272053; 2.青島科技大學自動化與電子工程學院,山東省青島市,266042)

井下帶式輸送機保護傳感器動作特性測試系統的研究

劉云楷1李 杰1孟祥忠2王振起2

(1.淄博礦業集團有限責任公司葛亭煤礦,山東省濟寧市,272053; 2.青島科技大學自動化與電子工程學院,山東省青島市,266042)

帶式運輸系統中設置了各種保護傳感器,主要為溫度和煙霧傳感器,這些傳感器須具有較高的靈敏性和可靠性,因此設計了一套井下帶式輸送機保護傳感器動作特性測試系統,該系統使用智能模塊進行數據采集,并在MCGS組態軟件上實現測試結果顯示,可以有效且方便地檢測傳感器的性能。

溫度傳感器 煙霧傳感器 智能模塊 MCGS

1 引言

帶式輸送機作為井下運輸系統的重要組成部分,其工作情況的好壞直接影響到礦井的安全生產。當帶式輸送機工作異常時,電機溫度會明顯升高,若不能及時處理,持續的高溫還會導致周圍的橡膠、塑料甚至煤炭等的燃燒并產生煙霧,極有可能引發井下瓦斯、煤塵爆炸以及火災等安全隱患。因此,必須要有相應的監測系統對其進行實時監測,溫度和煙霧傳感器作為重要的保護傳感器,其正常工作與否直接決定了整個監測系統的好壞。

按照規定,煤礦必須對所用溫度和煙霧傳感器進行定期測試,確保所使用的傳感器具有較高的靈敏性和可靠性。以往的測試手段一般是周期性送到生產廠家,由生產廠家來進行測試,這就造成了送檢時間長,影響煤礦的正常使用,不能滿足煤礦的需要;而由煤礦自己進行測試又沒有正規的方法,還需要自行準備檢測材料,而且對溫度和煙霧傳感器的檢測方法比較粗劣,既保證不了精確度,也不符合煤礦安全生產的要求。

本文根據溫度與煙霧傳感器的工作原理,研究設計了一套井下帶式輸送機保護傳感器動作特性測試系統,使用MD－8PT模擬量采集模塊、MD－108模擬量采集模塊、NT－1012開關量輸入/輸出模塊和XMT8008K智能溫控儀等智能模塊,通過RS－485總線與上位機進行通信,在上位機上使用MCGS組態軟件完成組態畫面設計,實現對保護傳感器動作測試結果實時顯示和記錄,經測試本系統使用效果較好,可以有效地解決煤礦的實際問題。

2 系統硬件設計

2.1 系統設計思路

本測試系統包括電源區、溫度傳感器動作特性實驗區、煙霧傳感器動作特性實驗區以及上位機4個部分。

(1)電源區負責整個測試系統的供電,提供3種傳感器的工作電壓,分別是12 V、18 V和24 V。

(2)溫度傳感器動作特性實驗區由恒溫箱、NT－1012開關量輸入/輸出模塊、MD－8PT模擬量采集模塊及熱電阻等組成,恒溫箱由XMT 8008K智能溫控儀控制,將熱電阻放置于恒溫箱中與MD－8PT連接,用來測量恒溫箱的實時溫度并讀取溫控儀的實時溫度,以判斷恒溫箱是否正常工作。測試時,將待測溫度傳感器的探頭置于恒溫箱中,在MCGS上設置恒溫箱溫度,由NT－1012開關量輸入/輸出模塊負責采集待測傳感器的動作特性。

(3)煙霧傳感器動作特性實驗區由煙箱、煙霧發生器、NT－1012開關量輸入/輸出模塊、MD－108模擬量采集模塊、煙霧傳感器及風扇等部分組成。其中,煙霧發生器以專用發生煙霧液體作為發霧原料,用恒溫加熱的方法產生;風扇可以使煙箱中煙霧濃度均勻;煙霧傳感器放置于煙箱中使用MD－108與煙霧傳感器連接,可以實現煙霧濃度的在線監測。測試時,將待測煙霧傳感器置于煙箱中,按下煙霧發生器的開關,由NT－1012開關量輸入/輸出模塊負責采集待測傳感器的動作特性。

(4)上位機安裝MCGS組態軟件,通過RS－485總線與各個模塊通信,控制測試進程、記錄待測傳感器動作時的溫度與濃度,并通過NT－1012輸出控制對應動作指示燈的開關,而且可以打印測試記錄數據,方便查詢與統計。

2.2 系統的硬件設計

本測試系統使用模擬量采集模塊MD－8PT和MD－108實時檢測恒溫箱的溫度和煙箱的煙霧濃度,使用NT－1012開關量輸入/輸出模塊采集待測傳感器的動作特性。這些采集模塊與智能溫控儀表均采用Mod Bus RTU通訊協議,通過USB轉RS－485模塊與上位機通信,其主要硬件與通信結構如圖1所示。

圖1 測試系統主要硬件與通信結構

由圖1可以看出,I/O模塊NT－1012為12輸入4輸出模塊,主要用于測試系統開關量的采集,主要包括溫度傳感器實驗區的啟動開關和傳感器輸出節點以及煙霧傳感器實驗區的啟動開關和傳感器輸出節點,各個模塊具體作用如下:

(1)模塊通過RS－485與上位機通信,上位機經過程序處理后通過I/O模塊NT－1012來控制2個輸出繼電器,即溫度和煙霧傳感器實驗區的動作指示燈。

(2)MD－8PT是熱電阻輸入模塊,能夠將采集的熱電阻值數據轉換為RS－485數據,經由RS－485總線將數據傳輸至計算機,能夠同時將8路PT100電阻值采集至計算機,可以與兼容Modbus RTU通信協議的組態軟件以及PLC實現無縫連接。

(3)XMT 8008K智能溫控儀采用計算機微電腦技術,支持熱電偶、熱電阻、4～20 m A電流(需外加250Ω的分流電阻)及0～5 V的電壓信號輸入,具備PID功能與自整定功能,上下限報警或上上限報警,兩組模擬量的輸出可用于控制或變送。儀表具備RS－485通訊,可與組態軟件或觸摸屏連接以方便組態,響應時間小于0.5 s。

(4)MD－108模擬量采集模塊可以采集8路模擬量數據(4～20 m A電流/0～5 V電壓),再通過Modbus RTU等相關協議進行編碼,通過RS－485總線或者TCP/IP網絡將其傳輸至計算機。其內部集成的ModbusRTU協議通用性高,適用范圍廣。MD－108模擬量采集模塊與煙霧傳感器相配合,可以實現煙霧濃度的在線監測。

3 系統軟件的設計

3.1 軟件的設計

本測試系統軟件分為煙霧傳感器測試部分和溫度傳感器測試部分,測試時可以通過軟件界面上的選擇按鈕來選擇相應的測試區。本測試系統采用MCGS組態軟件對采集的信息進行處理、顯示和存儲,可在測試過程中對關鍵參數進行在線設定和修改,MCGS組態軟件界面包含主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略,組態軟件設計流程如圖2所示。

圖2 MCGS設計流程圖

由圖2可以看出,在MCGS組態軟件設計中,首先是創建工程,接著建立以模塊采集信息及開關量為內容的實時數據庫,本項目數據庫中的變量類型可以定義為字符型(煙霧傳感器編號和溫度傳感器編號等)、開關型(電源啟動、輸出接點和動作指示等)和數值型(煙霧濃度和溫度等),然后在設備窗口的設備工具箱中添加通用串口父設備和4個莫迪康ModbusRTU子設備,分別命名為開關量模塊、熱電偶模塊(MD－8PT)、煙霧模塊(MD－108)和恒溫箱模塊(XMT 8008K),設備窗口如圖3所示。

圖3 設備窗口

由圖3可以看出,串口父設備中串口端口號需要根據實際上位機連接的端口進行配置,而通訊波特率為9600 bps,數據位為8位,停止位為1位,數據校驗為無校驗,數據采集方式為異步采集,同時分別為4個子設備分配地址0～3,對每一個子設備需要根據各個模塊的通訊協議以及具體使用的通道,進行通道連接的設置。以煙霧模塊MD－108為例,模擬量模塊可以采集8路4～20 ma的信號,根據廠家提供的資料,模擬通道0～7的地址位0×01～0×08,數據為2個字節,在本項目中使用的是第0號通道,但在MCGS的ModbusRTU協議中,第1個通道是用來檢測設備通信的,所以在配置的時候需要通道值加1,使用的是4區輸出寄存器,16位無符號二進制,即4WUB0002,其他幾個模塊設置同理,通道連接如圖4所示。

當完成以上工作之后,就可以構建測試系統的操作界面,在組態窗口建立歷史表格、實時曲線和動作按鈕等構件,并與實時數據庫中的變量進行鏈接,在運行策略里添加構件編寫相應運行程序來對采集的數據進行處理和顯示。最后對整個運行軟件進行測試,系統運行界面如圖5所示。

由圖5可以看出,圖5(a)和(b)分別為溫度和煙霧傳感器測試界面,通訊狀態指示燈顯示當前各模塊的通訊狀態。以溫度傳感器為例,當輸入設定溫度數值后,單擊確定按鈕來改變恒溫箱溫度;完成一次測試后單擊實驗結果記錄按鈕,記錄實驗結果;單擊查看當天記錄按鈕,可以查看當天測試的數據;歷史實驗查詢則記錄著所有測試數據,可以設置時間去查詢某一天的測試數據,測試記錄與查詢如圖6所示。如果需要還可以點擊數據報表打印按鈕,對測試數據進行打印。

3.2 部分程序設定

其中使用循環策略判斷I/O模塊的輸入變化,控制開關量模塊的輸出,部分程序如下:

圖4 通道連接窗口

圖5 測試界面

圖6 測試記錄與查詢

4 結語

井下帶式輸送機保護傳感器動作特性測試系統操作方便,普通工作人員經過簡單培訓就可以進行操作測試,待測傳感器無需返廠檢測,大大提高了傳感器檢測的頻率和效率,有效地保證了井下帶式輸送機安全可靠地運行。本測試系統準確度高,通過設置熱電偶和煙霧傳感器不僅保證了檢測條件的真實可靠性,杜絕了誤檢測事件的發生,而且實現了煙霧濃度的在線監測。目前,本測試系統已在淄博礦業集團葛亭煤礦投入使用,運行狀況良好。

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(責任編輯 王雅琴)

表2 工作面人員配置

(3)采用集中自動化的控制方式能夠統一分配和調度,減少誤操作,提高安全系數。

(4)搭建的網絡平臺可以將工作面設備數據信息上傳到地面監控中心,為生產管理提供重要的數據分析資料。

(5)在地面搭建三維虛擬現實平臺,實現了井下工作面實景的三維虛擬動畫實時展示,為管理人員提供判斷和決策的依據。

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作者簡介:田華(1971－),男,寧夏回族自治區中寧縣人,高級工程師,現任神華集團神華新疆能源有限責任公司副總經理,主要從事煤礦生產技術管理工作。

(責任編輯 路 強)

The research of performance characteristics test system of downhole belt conveyor protection sensors

Liu Yunkai1,Li Jie1,Meng Xiangzhong2,Wang Zhenqi2
(1.Geting Coal Mine,Zibo Mine Group Co.,Ltd.,Jining,Shandong 272053,China; 2.College of Automation and Electronic Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266042,China)

Belt transport system set up various protection sensors,particularly are temperature and smoke sensors,which must have highly sensitivity and reliability.The current authors designed a performance characteristics test system of downhole belt conveyor protection sensors which using the intelligent modules to collect data and realized displaying the test result in MCGS configuration software.The test system could detect the performance of protection sensors effectively and expediently.

temperature sensors,smoke sensors,intelligent modules,MCGS

TD634.1

A

劉云楷(1962－),男,山東淄博人,工程師,工程碩士,現任淄博礦業集團有限責任公司葛亭煤礦礦長,主要從事煤礦機電控制技術、煤礦綜合自動化技術的研究與設備管理工作。