礦用帶式輸送機智能監測及故障預警系統研究

郭 志

(山西煤炭進出口集團 左云長春興煤業有限公司，山西 大同 037100)

0 引言

帶式輸送機作為一種大型運輸機械設備，具有運輸量大、運送距離長、可連續運輸等優點，是煤礦開采生產中最理想的運輸工具[1]。如今煤礦中帶式輸送機使用比率越來越高，設備的功率、性能等方面都得到不斷提升，所以搭建一個智能、完善的監測預警系統對帶式輸送機整個工作線工況的監控以及故障診斷預警是十分有必要的[2]。

本文提出了礦用帶式輸送機智能監測及故障預警系統的設計，在對各類需采集的運行參數和故障因素分析的基礎上，利用PLC作為控制器，選擇所需傳感器的類型，確定了系統組成，最終實現輸送機的實時監控、數據通信、數據顯示、故障定位預警等功能。

1 智能監測及故障預警系統整體設計方案

系統采用模塊化結構，按照不同功能將系統進行模塊劃分，實現對運行中帶式輸送機各狀態參數的實時監測和自動控制。系統整體分為兩大部分：第一部分為主控模塊，其中包括PLC核心處理器、監控上位機、回路配電控制模塊、沿線設備控制模塊、預警模塊、I/O接口模塊，監控上位機與預警模塊、I/O接口模塊和沿線設備控制模塊間信息的上傳下達通過CAN總線完成，各回路配電模塊通過RS485總線與上位機通信[3]，第二部分為沿線設備，帶式輸送機現場沿線設備包括不同位置的下位機模塊、急停閉鎖模塊、語音電話模塊、數據采集終端等，通過通訊電纜、閉鎖線、音頻線、18 V電源線與主控模塊連接。系統整體結構如圖1所示。

主控模塊中，監控上位機上運行著系統界面，實現人機交互；組合配電控制模塊用于控制帶式輸送機上的驅動電機、抱閘電機等多臺電機，并提供照明和過流、斷相、漏電保護功能；語音預警模塊與沿線的多功能語音電話通過音頻線相連，用于信息的傳達、人員通話和發生故障時的警示、報警等；沿線設備控制模塊用于現場設備采集的信息和上位機指令間的上傳下達，起到了信息中轉站的作用；I/O模塊用于不同開關信號和模擬量的采集，通過CAN總線與監控上位機進行通信，內置的繼電器可控制各組合配電控制模塊對電機下達動作指令[4]。

圖1 系統整體結構圖

沿線的現場設備中，多功能語音電話主要用于井下通信，與主控模塊的語音預警模塊相連；急停閉鎖模塊用于維修或故障時的停機以及急停控制，急停信息通過RS485總線上傳到監控上位機；不同位置的下位機模塊用于帶式輸送機各種運行狀態參數的采集，同時具有控制和急停的功能；數據采集終端位于設備線路末端，可實現電壓采集、上傳設備信息等功能。

2 硬件方案設計與選型

2.1 PLC選型

基于井下特殊環境對控制器處理速度、精確度和結構的要求，本文采用西門子S7-300可編程控制器作為主控制器。S7-300 PLC是一種模塊化的通用型控制器，處理速度快，擴展性好，空間占用小，同時支持多種通訊協議，兼容性好，適用于井下工作環境。

2.2 傳感器選型

在傳感器選型前首先應確定系統需要監測的參數。在帶式輸送機運行時，針對跑偏、撕裂、超速、打滑、煙霧超標等故障需要對其速度、溫度、張力、振動、電流、環境煙霧值等參數進行檢測。

2.2.1 溫度傳感器選型

溫度傳感器主要用于防止皮帶滾筒發生摩擦起火或電氣設備過熱而引起的事故，本文選用KGW200H型礦用溫度變送器，工作電壓為DC+12 V，工作電流≤50 mA,測量范圍為0 ℃～200 ℃，測量誤差為±2.5%，滿足系統要求。

2.2.2 速度傳感器選型

速度傳感器用于檢測輸送機的運行速度，防止其發生打滑或超速[5]，本文選用GSC6-SC本質安全型轉速傳感器，其安裝位置與運輸帶緊密接觸，GSC6-SC的工作電壓為DC+12 V，工作電流≤80 mA，測速范圍為0 m/s～6 m/s，測量誤差為5%，滿足系統要求。

2.2.3 撕裂傳感器選型

撕裂傳感器用于檢測皮帶是否發生縱向撕裂的情況，將撕裂傳感器安裝在機尾返回皮帶上方，給傳感器設置一個重量閾值，當皮帶發生撕裂時，傳感器上的物料重量超過閾值，此時由傳感器發出預警信號[6]。本文選用GVY25本質安全型撕裂傳感器，當傳感器接收到大于25 g/cm2的重量作用時便輸出≤500 Ω的低阻值，正常情況時傳感器輸出高阻值，以此來發送故障信號。

2.2.4 張力傳感器選型

張力傳感器的作用是檢測出帶式輸送機運送帶的張力值后將該值反饋至監測控制系統，從而對張力進行調節控制，解決輸送機因張力突變而引起的打滑、撕裂等問題。本文選用GAD80本質安全型張力傳感器，其測量范圍為0 kN～80 kN，測量精度≤2%，輸出信號為DC4 mA～DC20 mA，符合本系統要求。

2.2.5 跑偏傳感器選型

跑偏傳感器一般安裝在機架兩側，用于檢測運送帶位置，防止其跑偏到滾筒一側。本文選用GEJ-15-P型跑偏傳感器，工作電壓為DC+12 V，工作電流≤30 mA，動作角度和復位角度均滿足系統所需精度要求。

2.2.6 振動傳感器選型

振動傳感器主要用于測量輸送機上可產生振動的主要設備的振動信號，并控制振動量。本文選用GBYD5本質安全型振動傳感器，測量峰值為100 g，軸向靈敏度為50 mV/g±5%，最大橫向靈敏度為5%，滿足本系統要求。

2.2.7 電流傳感器選型

電流傳感器主要用于各電機工作電流的采集，在電機進線處設置[7]。本文選用WBI414S43型電流傳感器，其工作電壓為DC+12 V，線性度為0.5(%F.S.)，滿足本系統要求

2.2.8 煙霧傳感器選型

當輸送機出現由于電纜過熱、皮帶摩擦過熱等問題引起的火災時會產生大量煙霧，將煙霧傳感器裝設在下風口處進行檢測，以防止火災事故的發生。本文選用GQQ0.1本質安全型煙霧傳感器，靈敏度為Ⅱ級，動作值≥0.1 g/m3，響應時間≤ 30 s[8]。

3 軟件設計方案

系統開始運行時首先初始化各模塊，然后對沿線設備進行地址的自動排列和分配，并檢查各設備工作狀態，若無故障發生則正常啟動，否則排除故障后才能啟動。按下啟動按鈕，上位機對張緊電機發送啟動信號，張緊電機將張力調節到正常值并發送反饋信號；上位機接收到張緊反饋信號后，向驅動電機發送啟動信號，啟動電機進行軟啟動并反饋；上位機接收到軟啟動反饋信號后，向抱閘電機發送啟動信號，抱閘電機執行松閘操作；全部操作執行完畢后，上位機接收到啟動完成信號，帶式輸送機完成啟動并開始正常運行，圖2為帶式輸送機啟動流程圖。

圖2 帶式輸送機啟動流程圖

運行過程中，若監控上位機檢測到來自傳感器的故障信號時，系統會進行故障的全面診斷，并根據結果進行報警不停機、報警停機、停機并灑水等操作。當按下急停鍵或正常停機鍵后，系統控制電機完成停機，圖3為故障檢測和停機流程圖。

圖3 故障檢測與停機流程圖

4 系統運行效果

在實驗室搭建的系統測試平臺對本文設計的監測及故障預警系統進行了測試運行，結果表明傳感器數據采集、故障診斷定位、通訊、數據實時顯示等功能運行正常。最終系統試運行效果良好，實現了帶式輸送機工況監測和故障綜合診斷的結合，系統操作方便、功能較全，符合實際使用需求，圖4為監控系統數據查詢界面。

圖4 監控系統數據查詢界面

5 結束語

本文針對傳統帶式輸送機監控系統實時性差、功能單一等缺陷，以PLC為主控器，輔以各類傳感器和通訊技術設計了一套帶式輸送機智能監測及故障預警系統，實現了對帶式輸送機運行狀態實時監測和故障綜合診斷預警。經測試，系統各項功能均可良好實現，交互界面簡潔人性化，達到了預期目標。