煤礦井下連續(xù)輸送皮帶在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王新元

（霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦，山西 洪洞 041600）

帶式輸送機(jī)廣泛應(yīng)用在井下煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中，目前絕大多數(shù)礦井仍靠人力巡查帶式輸送機(jī)，輸送機(jī)故障的預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和處理不及時(shí)，不滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和安全的需要。為此，本文對(duì)礦井皮帶機(jī)的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 基于PLC的監(jiān)控方式

PLC與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，上位機(jī)、下位機(jī)與PLC之間相互聯(lián)系[1，2]，在傳感器的輔助下，及時(shí)采集井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，處理帶式輸送機(jī)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，編寫計(jì)算機(jī)程序，開(kāi)發(fā)PLC控制軟件，計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求PLC通信的命令，此時(shí)PLC做出反應(yīng)，自動(dòng)與計(jì)算機(jī)通信。但煤礦井下傳輸距離遠(yuǎn)，需要建立各個(gè)分站，分站把收集到的數(shù)據(jù)匯總到總站。工業(yè)以太網(wǎng)被用于地面上位機(jī)的通信，兩臺(tái)上位機(jī)與地面網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。整個(gè)在線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)皮帶機(jī)輸送機(jī)進(jìn)行監(jiān)控的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)監(jiān)控結(jié)構(gòu)示意圖

工業(yè)以太網(wǎng)能夠使PLC主站、分站、防爆箱三者之間相互通信。每個(gè)控制設(shè)備配備了小型的光電交換機(jī)，其作用是把距離較遠(yuǎn)的控制設(shè)備聯(lián)系起來(lái)。為避免局部設(shè)備出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)斷電，需要一個(gè)光纖連接的光電轉(zhuǎn)化器，使設(shè)備之間兩兩構(gòu)成通信環(huán)網(wǎng)，有助于增強(qiáng)正常設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，正常通信。主站交換機(jī)把信息傳輸給百兆交換機(jī)，百兆交換機(jī)再把礦井信息傳輸給千兆交換機(jī)，千兆交換機(jī)又把數(shù)據(jù)傳送到地面調(diào)度室，整個(gè)流程就是PLC控制器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信過(guò)程。不同的PLC控制器對(duì)應(yīng)的IP地址詳見(jiàn)表1所示。

表1 PLC對(duì)應(yīng)的IP地址

2 監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的選擇

2.1 上位機(jī)軟件

監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件選擇的是組態(tài)王軟件，該軟件集監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)于一身，不僅可以采用分布式控制，而且還可以采用單機(jī)集控式，最大優(yōu)點(diǎn)是其具有遠(yuǎn)距離監(jiān)控能力[3]。若該組態(tài)王采用分布式控制系統(tǒng)，下位機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集信號(hào)、整理數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到上位機(jī)，上位機(jī)處理信號(hào)完成后，相關(guān)命令被發(fā)送給下位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)把數(shù)據(jù)整理成圖表的形式呈現(xiàn)給用戶。若組態(tài)軟件采用集中式的監(jiān)控，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)、處理數(shù)據(jù)，同時(shí)還能進(jìn)行全程監(jiān)控[4]。

在線監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件采用的是“組態(tài)王6.0”。組態(tài)王6.0適用windows操作系統(tǒng)，也適用于XP操作系統(tǒng)，語(yǔ)言文字為中文，方便大眾識(shí)別、操作。組態(tài)王6.0軟件界面功能齊全，能夠模擬實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，具有形象逼真的效果。以函數(shù)、IO/驅(qū)動(dòng)程序和控制組件等為基礎(chǔ)，是一種便于人機(jī)交換的控制監(jiān)控井下帶式輸送機(jī)的操作工具。可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的信息，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)畫面、圖表、參數(shù)變化等，配備相應(yīng)警報(bào)系統(tǒng)，一旦監(jiān)測(cè)到皮帶故障發(fā)生，立馬響起警報(bào)。

2.2 建立監(jiān)控系統(tǒng)的步驟

（1）圖形界面

運(yùn)用程序代碼編程技術(shù)開(kāi)發(fā)的組態(tài)王6.0軟件，使用者可以根據(jù)自身需要建立多個(gè)畫面，每個(gè)畫面的靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)圖像相互關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一的對(duì)象圖形界面。軟件里面包含繪圖工具、實(shí)時(shí)變化曲線、以往趨勢(shì)變化曲線、轉(zhuǎn)換按鈕等。

（2）建立數(shù)據(jù)庫(kù)

“組態(tài)王6.0”軟件核心就是數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)與下位機(jī)的聯(lián)系就是靠數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)完成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)就是采集現(xiàn)場(chǎng)的帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況，在軟件界面上以動(dòng)態(tài)的畫面呈現(xiàn)在屏幕上，同時(shí)用戶在軟件中發(fā)出的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)主要是記錄以往運(yùn)行情況，并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)里，需要查詢歷史狀況，只需調(diào)出數(shù)據(jù)查詢即可。

（3）動(dòng)畫連接

屏幕上呈現(xiàn)的畫面、圖形、圖表與數(shù)據(jù)變量之間關(guān)系需要?jiǎng)赢嬤B接才能實(shí)現(xiàn)，一旦數(shù)據(jù)變量發(fā)生改變，界面上的圖像就會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)動(dòng)畫連接表示出來(lái)；反之，用戶使用者改變了界面圖形對(duì)象，通過(guò)動(dòng)畫連接，相應(yīng)的數(shù)據(jù)值也會(huì)根據(jù)圖像發(fā)生變化。

（4）運(yùn)行和調(diào)試

Touch View是組態(tài)王6.0軟件運(yùn)行環(huán)境，在組態(tài)王軟件中調(diào)試界面圖像與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)達(dá)到最優(yōu)監(jiān)測(cè)結(jié)果畫面。

3 在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 組態(tài)界面

在線監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)界面如圖2所示。電機(jī)電流值、電壓值、電源供電值以及相應(yīng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值均是該組態(tài)界面的基本監(jiān)測(cè)參數(shù)，在組態(tài)界面上會(huì)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)狀態(tài)。點(diǎn)擊主控界面，可以實(shí)時(shí)了解帶式輸送機(jī)工作狀況。使用人員點(diǎn)擊操作按鈕，輸入登陸密碼，就可以進(jìn)入監(jiān)控主畫面。

圖2 組態(tài)界面

3.2 帶式輸送機(jī)開(kāi)關(guān)控制按鈕

（1）帶式輸送機(jī)工作原理

主動(dòng)滾筒提供動(dòng)力，尾部改向滾筒對(duì)皮帶進(jìn)行改向，兩個(gè)滾動(dòng)共同作用使得皮帶形成一個(gè)環(huán)形帶，上下托輥給皮帶提供支撐力，帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行所需的張緊力靠拉緊裝置發(fā)揮作用。皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)，主要靠與主滾筒摩擦力前進(jìn)，煤便被皮帶運(yùn)輸出去。

煤礦井下連續(xù)輸送皮帶機(jī)曲線啟動(dòng)，根據(jù)物理學(xué)可知，其速度方程為：

式中：

v(t)-任意時(shí)刻瞬時(shí)速度，m/s；

v0-平穩(wěn)運(yùn)行速度，m/s；

T0-啟停時(shí)間，s。

式中：

a(t)-任意時(shí)刻瞬時(shí)加速度，m/s。

從上述速度和加速度公式可以看出，帶式輸送機(jī)以加速度為0的平穩(wěn)速度啟動(dòng)；當(dāng)t=T0/2時(shí)，加速度和速度均達(dá)到最大值；隨后，皮帶速度增加到理想速度，最終以該速度運(yùn)行。

（2）啟停控制界面

根據(jù)帶式輸送機(jī)工作原理，開(kāi)發(fā)了啟停控制軟件，該控制界面如圖3所示。用戶使用者點(diǎn)擊“查詢操作”進(jìn)入主畫面后，操作啟停按鈕，控制皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 啟停控制皮帶機(jī)

3.3 報(bào)警系統(tǒng)

為了地面監(jiān)控總站能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、統(tǒng)計(jì)和處理報(bào)警信息以及帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，單獨(dú)在軟件中設(shè)置了帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)工作運(yùn)行情況界面和報(bào)警系統(tǒng)界面。操作人員只需點(diǎn)擊“查詢報(bào)警”，便可進(jìn)入報(bào)警系統(tǒng)，界面上有關(guān)于報(bào)警信息的時(shí)間、程度、類型等具體參數(shù)。

報(bào)警系統(tǒng)中預(yù)設(shè)有限定值，一旦發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中超過(guò)了設(shè)定的參數(shù)值，便會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。在報(bào)警主界面上就會(huì)顯示故障的相關(guān)情況，根據(jù)信息反饋給相應(yīng)傳感器，主控作出反響。PLC監(jiān)控器通過(guò)遠(yuǎn)距離在線監(jiān)控，實(shí)時(shí)了解帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況，通過(guò)動(dòng)畫連接，把井下帶式輸送機(jī)工作情況傳輸?shù)浇M態(tài)界面上。報(bào)警系統(tǒng)中的運(yùn)行記錄情況、報(bào)警參數(shù)信息等詳見(jiàn)圖4所示。

圖4 在線系統(tǒng)報(bào)警界面

4 結(jié) 論

（1）煤礦井下在線監(jiān)控帶式輸送機(jī)工作狀態(tài)，基于PLC以太網(wǎng)監(jiān)控方式，主要通過(guò)主站、分站、防爆箱三者之間聯(lián)系，形成信息的收集、傳輸、處理和形成。

（2）開(kāi)發(fā)的組態(tài)王作為監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件，通過(guò)建立圖形界面、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)畫連接、運(yùn)行調(diào)試等步驟組成在線監(jiān)控系統(tǒng)的工作過(guò)程。

（3）在線監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)界面可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)電流值、電壓值、電源供電值以及相應(yīng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)，及時(shí)了解帶式輸送機(jī)工作狀況；根據(jù)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)工作原理，開(kāi)發(fā)了對(duì)皮帶機(jī)的啟停控制軟件；操作人員只需點(diǎn)擊“查詢報(bào)警”，便可具體了解皮帶的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，一旦發(fā)生故障，報(bào)警系統(tǒng)馬上做出響應(yīng)。

設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行機(jī)制控制系統(tǒng)，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還為礦井現(xiàn)代化建設(shè)邁出了重要的一步，該監(jiān)控系統(tǒng)性能可靠、安全性高，減少了帶式輸送機(jī)的故障發(fā)生率，大大提高了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。