皮帶運輸系統監控平臺的設計與實現

曹 然

(大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037000)

皮帶運輸系統作為煤礦井下重要的連續運輸設備，其工作效率直接影響著整個礦井的煤炭開采效率。皮帶運輸系統設備多、鋪設線路長、各設備之間存在邏輯閉鎖關系，以致皮帶運輸系統的故障發生率較高，如皮帶跑偏、皮帶斷裂、滾筒損壞、聲音異常等，影響煤炭安全、連續、高效生產[1-3]. 設計并實現一種皮帶運輸系統監控平臺，在皮帶運輸系統發生故障時，及時、準確定位故障點，根據該故障點的提示解決故障，或者將故障信息轉述給開發人員，由其協助快速解決故障，保證皮帶運輸系統的連續、安全、穩定運行。

1 皮帶運輸系統監控平臺的系統設計

根據大同煤礦集團云岡礦實際生產需求，對其皮帶運輸系統增加監控平臺功能，該監控平臺的系統設計見圖1，核心硬件為PLC控制器以及監控平臺人機界面，PLC控制器獲取傳感器、開關、語音報警以及變頻器等設備的數據信息，經PLC控制器綜合分析處理后，以Modbus TCP的通信方式發送給皮帶運輸系統監控平臺，將數據信息在平臺上進行顯示，方便對皮帶運輸系統進行監控，發生故障時對故障能及時定位并解決。

圖1 皮帶運輸系統監控平臺系統設計圖

該皮帶運輸系統包含有3臺電機，由變頻器進行恒轉速或恒轉矩控制，通過CAN通信方式將變頻器組的運行狀態、運行參數、故障信息發送給PLC控制器。傳感器組包括速度傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等，這些傳感器實時監測皮帶運輸系統的運行狀態，保證其連續、安全、穩定運行。PLC控制器獲取上述傳感器組數據，當任何一個傳感器數據處于非正常范圍時，由PLC控制器觸發報警并在監控平臺顯示。開關類主要包括急停、啟動、停止等開關量按鈕，用于對皮帶運輸系統進行手動控制。語音報警安裝在皮帶運輸系統的沿線，當皮帶運輸系統啟動、停止或者有故障發生時，觸發語音報警。

2 監控平臺的硬件選型

在皮帶運輸系統監控平臺的設計中，PLC控制器選用EPEC 6100系列，變頻器選用匯川W4型四象限變頻器，開關類硬件選用沈陽廣角礦用隔爆型控制按鈕以及礦用隔爆型急停按鈕。語音報警器選用天津華寧KTK101-1型組合擴音電話報警裝置。監控平臺人機界面選用威倫通emt3070b型HMI. 速度傳感器選用GSH6型電感式速度傳感器，其基本誤差為±2.5%，測量范圍為0～6 m/s. 堆煤傳感器選用GUJ15型，用于檢測皮帶上煤塊的堆積、堵塞。煙霧傳感器選用GQG5礦用本質安全型煙霧傳感器，用于檢測皮帶運輸中出現的煙霧，以防火災的發生。當煙霧濃度≥5% osb/m時，該傳感器動作，響應時間≤20 s. 溫度傳感器選用礦用本質安全型紅外溫度傳感器，其測量范圍為0～300℃[4-5].

3 監控平臺的軟件設計

皮帶運輸系統軟件采用PLC編程實現，該監控平臺的數據處理流程見圖2. 首先，PLC控制器與監控平臺需要建立Modbus TCP通信，用于傳送數據的通信連接。監控平臺獲取到PLC控制器傳送的數據后要對該數據進行分類，如果該數據是系統信息，如電壓、電流、功率等，則在監控平臺上直接進行顯示；如果是故障信息，如傳感器類故障、開關類故障、電機類故障等，則進行故障信息處理流程；如果是數據信息，如皮帶運行實時速度、皮帶運行累計時間等，則在監控平臺上直接進行顯示。

圖2 監控平臺數據處理流程圖

皮帶運輸系統監控平臺的故障信息處理流程見圖3，監控平臺接收到PLC控制器的故障信息后，首先對該故障信息進行分類，分為開關量故障、傳感器故障以及電機故障3類。開關量故障即為PLC控制器輸入開關量以及輸出開關量故障；傳感器故障即為皮帶運輸系統中的速度傳感器、煙霧傳感器、堆煤傳感器等；電機故障即為電機過熱、過流、過載等故障。對于上述發生的3類故障，需要在監控平臺上顯示故障信息類別以及具體故障內容。當點擊某一種故障信息后，監控平臺會彈出一個窗口，在該窗口中會進一步提示該故障的具體位置，并會給出解決該故障的具體措施。這樣，利用皮帶運輸系統的監控平臺，能夠及時、準確地處理故障，保證皮帶運輸系統生產效率。當無法處理故障時，可以將該故障信息描述轉述給開發人員，由其協助處理。

圖3 監控平臺故障信息處理流程圖

圖4 速度傳感器工作流程圖

皮帶運輸系統中的傳感器用于實時監測皮帶系統的運行狀態，如速度傳感器用于監測皮帶運行速度，及傳動滾筒速度。當速度傳感器獲取到這兩個速度值后，對其進行分析，如果滑差率≥7%，且時間未超過20 s時，觸發報警裝置進行報警；如時間超過20 s，則直接停機。速度傳感器工作流程圖見圖4.

4 監控平臺的顯示界面

皮帶運輸系統監控平臺顯示界面見圖5，分為3部分，第一部分為電機狀態顯示，如有3個電機、分別指示出其“有電”、“運行”以及“故障”點，以及電壓值、電流值以及功率值；第二部分為皮帶運行參數顯示，即皮帶運行實時速度、皮帶運行時間等，皮帶運行速度最大限制為4.5 m/s，一般情況下運行速度為3.0 m/s，日運行時間為16 h；第三部分為故障信息，包括故障狀態點，如“電機故障(過熱、過流、過載等)”、“傳感器故障(速度傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器等)”，以及“故障描述”和“解決提示”。通過故障狀態點可以知道是哪一類故障，通過“故障描述”可以知道該類的哪一個故障，通過“解決提示”可以輕松、方便地解決該故障。

圖5 監控平臺顯示界面圖

5 結 論

增加監控平臺的皮帶運輸系統，提高了皮帶運輸系統的故障定位以及解決效率，使得皮帶運輸系統出現故障時，通過監控平臺，可以及時、準確地對故障點進行定位并解決，并能夠準確掌握皮帶運輸系統的運行狀態、各參數信息。該設計方案已經完成工業性試驗，在后續的設計中，根據實際工況對監控平臺的參數、狀態以及故障信息進行優化，為皮帶運輸系統的安全、穩定、連續運行提高強有力的保證。