TSD75型礦用皮帶輸送機監控系統的設計

張 勇

（西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030053）

引言

皮帶輸送機是煤礦井下運輸設備中最常用的運輸工具。皮帶輸送機結構簡單、使用方便，便于自動化改造。由于皮帶輸送機是一種連續運行的設備，若中間某個環節出現故障，將導致設備整機停機，嚴重影響到企業的生產效率。皮帶輸送機的故障在前期均有不同的表現特征，可以通過提前預判并采取措施來解決，因此設計一套皮帶輸送機在線監控系統具有重要意義。監控系統可實時反饋皮帶輸送機的狀態，給操作人員提供幫助，一旦出現異常情況，操作人員可根據系統的反饋采取措施。皮帶輸送機的遠程在線監控系統是一項多學科融合的技術，監控的核心在于對傳感器采集的數據進行分析，通過分析皮帶輸送機特征數據來識別、判斷輸送機的狀態[1]。

1 皮帶輸送機監控系統研究現狀

為了盡可能減少皮帶輸送機故障的發生，近年來引入許多新技術在皮帶輸送機的故障診斷與監控系統的設計中，監控系統可實現對設備狀態的有效監控，對于保障皮帶輸送機的穩定性、經濟性具有重要作用。監控系統技術的發展也日趨完善，前期的監控系統穩定性差、環境適應性弱，所采用的硬件精度差、可靠性不夠高。

現階段監控系統具有較強的可靠性，一般采用PLC控制器，可實現對設備狀態數據的在線監控、采集、存儲、分析；具有較好的人機交互功能，通信技術的應用使得監控系統可實現遠程控制與操作。監控系統可根據傳感器所采集的數據，對其進行分析，基于智能算法對設備故障進行識別，給出可靠專業的意見[2]。

2 皮帶輸送機常見故障

要實現對輸送機故障的判斷與識別便需要對輸送機最常出現的幾類故障特性進行分析，掌握故障所表現出來的數據特性。監控系統可根據系統所采集的信號對輸送機的狀態進行識別，常見的皮帶輸送機故障類型有：

1）皮帶跑偏。皮帶跑偏一般是由于偏載荷作用造成的，其危害可能造成輸送機上物料灑落，甚至對設備造成損傷，一般判斷該故障的手段通常通過皮帶張力傳感器進行判斷與識別。

2）托輥卡滯。托輥轉動出現故障一般是由托輥軸承故障引起的，軸承失效對設備影響較大，容易導致皮帶與托輥之間摩擦加大產生熱量從而對皮帶造成損傷。托輥軸承故障一般會產生劇烈有規律的振動，可以借助振動信號對其進行識別。

3）皮帶斷裂。一般是由重物跌落砸傷或托輥卡滯造成的，容易導致物料滑落堵塞通道，一般通過布置于皮帶上的張力傳感器對皮帶斷裂故障進行識別。

4）皮帶堆煤。皮帶堆煤是指在煤炭生產中煤塊里混合其他直徑較大的雜物，如石頭、硬質雜質堆積造成皮帶輸送機運輸煤礦堵塞。皮帶堆煤可能會增加電機電能的消耗，甚至引起電機短路生熱過大燒毀皮帶，該故障對輸送機的影響較大。

5）火災事故。設備長時間的運行，容易在摩擦較大的區域產生較大的熱量，當井下易燃易爆的氣體遇到電火花時便可能產生嚴重的火災事故，一般通過在設備現場布置溫度傳感器來實現對設備溫度的監測與控制[3]。

3 TSD75型礦用皮帶輸送機監控系統的總體結構設計

3.1 監控系統功能需求

1）需實現皮帶輸送機啟停的控制，集成了遠程控制模型，可分別對幾臺電動機進行控制，方便在實際使用過程中對設備進行維護等，避免相互干擾。

2）實現遠程數據監控，通過實時采集皮帶輸送機的狀態參數，對設備狀態進行識別，可以及時觀測到設備出現的故障，為皮帶輸送機的故障診斷與檢修提供重要參考。

3）監控應具備故障報警功能，如皮帶跑偏、堆煤事故、皮帶斷裂等系統可自動聲光報警，提醒操作人員。

4）對輸送機采集數據的記錄分析，可進行曲線繪制，直觀顯示歷史數據，方便對設備故障進行分析[4]。

3.2 監控系統的結構設計

監控系統的總體結構設計是以控制主站為核心，結構可分為操作層、控制層、設備層，監控系統的結構設計如圖1所示。控制層通過以太網與操作層設備、設備層設備進行相互連接。

圖1 輸送機監控系統結構圖

控制層設備主要負責對傳感器采集的數據進行分析，可接收來自控制層的命令，控制層設備包括：控制主站、光端機、交換機等。設備層主要是井下環境設備，包括各類傳感器、變頻器等，主要負責對設備狀態數據進行采集[5]。

操作層主要有服務器、控制電腦、通信交換機等設備，主要通過控制系統上位機對皮帶輸送機狀態進行監控與操作，采用集成信息顯示技術，將傳感器所采集的數據集中顯示于地面控制中心顯示屏上，從而實現對輸送機狀態的監控與控制。

4 TSD75型礦用皮帶輸送機監控系統的設計與功能實現

4.1 監控系統的軟件設計

根據功能需求設計監控系統軟件系統，軟件系統是控制系統的靈魂，對保障輸送機監控系統功能的實現具有重要作用。一般軟件系統以硬件設備為基礎，通過工業互聯網實現各個設備的互聯，將眾多系統子程序集成于一體，構成監控系統的軟件控制系統。

根據該監控系統的實際功能設計系統軟件結構，監控系統軟件設計包括PLC控制程序與上位機操作程序。PLC控制程序主要實現整個皮帶輸送機的監控與數據采集等功能，而上位機程序主要實現聯合控制，對監控信息進行顯示，并提供交互式人員操作平臺。該在線監控系統使用了My SQL數據庫，相較于傳統的SQL Server、Oracle數據庫，My SQL數據庫具有執行效率更高、操作簡單等優點，其余軟件程序的編程工作由專業團隊合作完成，在此不再贅述。

4.2 監控系統的硬件設計

系統的硬件結構也可分為三層來分別描述，地面控制層主要設備為上位機以及控制主站，根據實際需求選擇聯想ST-500型計算機，該型計算機性能優越、適應環境較強；主控制站型號為S8-400PLC，上位機與各設備之間的通信依靠工業以太網實現，硬件系統整體結構圖如圖2所示。

圖2 硬件系統整體結構圖

控制主站不需要擴展輸入與輸出模塊，因此結構相對簡單，控制中心為CPU模塊與電源模塊，該CPU采用通用型標準模塊接口，標準為315-2PN/DP，CPU的供電電源為24 V DC，具備以太網交互接口；電源模塊采用DS300 12 A的電源模塊，主要負責對顯示屏、各類傳感器供電[6]。

速度傳感器選擇了德國西門子公司的EP3-400型速度傳感器，傳感器具有較好的測量精度，適用環境較寬泛。主要負責對輸送機皮帶轉速進行測量；溫度傳感器：選擇德國SKEDO牌的STV300型溫度傳感器，主要負責采集皮帶滾筒以及皮帶的溫度，防止因溫度過高對設備造成損害。皮帶張力傳感器選擇QHT-2050型傳感器，具備很好的抗干擾能力。

5 TSD75型礦用皮帶輸送機監控系統的功能測試

上位機操作程序采用MCGS結構，該結構能集成所有子程序，在滿足皮帶輸送機狀態監控的同時，可對現場所采集的數據進行分析。根據歷史數據對輸送機狀態進行分析，并設計了輸送機控制程序。上位機控制程序對輸送機進行監控與控制，亦可提取輸送機歷史數據。上位機操作程序主界面如下頁圖3所示，程序設計可擴展至同時對三臺皮帶輸送機進行監控，軟件操作系統實現了對皮帶輸送機狀態的監控。

圖3 輸送帶監測系統主界面

最后對該監控系統進行了測試，測試結果顯示，該系統能夠實現各項設計功能，具有對皮帶輸送機全天候監控與設備初級故障診斷及報警的功能。一旦設備出現潛在故障時，系統能夠進行主動報警，由于篇幅所限，在此不再對系統的各項功能作一一展示。