TSD75型礦用皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

張 勇

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

引言

皮帶輸送機(jī)是煤礦井下運(yùn)輸設(shè)備中最常用的運(yùn)輸工具。皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，便于自動化改造。由于皮帶輸送機(jī)是一種連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，若中間某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致設(shè)備整機(jī)停機(jī)，嚴(yán)重影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率。皮帶輸送機(jī)的故障在前期均有不同的表現(xiàn)特征，可以通過提前預(yù)判并采取措施來解決，因此設(shè)計一套皮帶輸送機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。監(jiān)控系統(tǒng)可實時反饋皮帶輸送機(jī)的狀態(tài)，給操作人員提供幫助，一旦出現(xiàn)異常情況，操作人員可根據(jù)系統(tǒng)的反饋采取措施。皮帶輸送機(jī)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)是一項多學(xué)科融合的技術(shù)，監(jiān)控的核心在于對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過分析皮帶輸送機(jī)特征數(shù)據(jù)來識別、判斷輸送機(jī)的狀態(tài)[1]。

1 皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

為了盡可能減少皮帶輸送機(jī)故障的發(fā)生，近年來引入許多新技術(shù)在皮帶輸送機(jī)的故障診斷與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的有效監(jiān)控，對于保障皮帶輸送機(jī)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展也日趨完善，前期的監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性差、環(huán)境適應(yīng)性弱，所采用的硬件精度差、可靠性不夠高。

現(xiàn)階段監(jiān)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性，一般采用PLC控制器，可實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控、采集、存儲、分析；具有較好的人機(jī)交互功能，通信技術(shù)的應(yīng)用使得監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與操作。監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)傳感器所采集的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析，基于智能算法對設(shè)備故障進(jìn)行識別，給出可靠專業(yè)的意見[2]。

2 皮帶輸送機(jī)常見故障

要實現(xiàn)對輸送機(jī)故障的判斷與識別便需要對輸送機(jī)最常出現(xiàn)的幾類故障特性進(jìn)行分析，掌握故障所表現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)特性。監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)所采集的信號對輸送機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行識別，常見的皮帶輸送機(jī)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(jī)上物料灑落，甚至對設(shè)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(jìn)行判斷與識別。

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

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

5）火災(zāi)事故。設(shè)備長時間的運(yùn)行，容易在摩擦較大的區(qū)域產(chǎn)生較大的熱量，當(dāng)井下易燃易爆的氣體遇到電火花時便可能產(chǎn)生嚴(yán)重的火災(zāi)事故，一般通過在設(shè)備現(xiàn)場布置溫度傳感器來實現(xiàn)對設(shè)備溫度的監(jiān)測與控制[3]。

3 TSD75型礦用皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

1）需實現(xiàn)皮帶輸送機(jī)啟停的控制，集成了遠(yuǎn)程控制模型，可分別對幾臺電動機(jī)進(jìn)行控制，方便在實際使用過程中對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)等，避免相互干擾。

2）實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過實時采集皮帶輸送機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行識別，可以及時觀測到設(shè)備出現(xiàn)的故障，為皮帶輸送機(jī)的故障診斷與檢修提供重要參考。

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

4）對輸送機(jī)采集數(shù)據(jù)的記錄分析，可進(jìn)行曲線繪制，直觀顯示歷史數(shù)據(jù)，方便對設(shè)備故障進(jìn)行分析[4]。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計是以控制主站為核心，結(jié)構(gòu)可分為操作層、控制層、設(shè)備層，監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示?？刂茖油ㄟ^以太網(wǎng)與操作層設(shè)備、設(shè)備層設(shè)備進(jìn)行相互連接。

圖1 輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制層設(shè)備主要負(fù)責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可接收來自控制層的命令，控制層設(shè)備包括：控制主站、光端機(jī)、交換機(jī)等。設(shè)備層主要是井下環(huán)境設(shè)備，包括各類傳感器、變頻器等，主要負(fù)責(zé)對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[5]。

操作層主要有服務(wù)器、控制電腦、通信交換機(jī)等設(shè)備，主要通過控制系統(tǒng)上位機(jī)對皮帶輸送機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與操作，采用集成信息顯示技術(shù)，將傳感器所采集的數(shù)據(jù)集中顯示于地面控制中心顯示屏上，從而實現(xiàn)對輸送機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控與控制。

4 TSD75型礦用皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)功能需求設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的靈魂，對保障輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)具有重要作用。一般軟件系統(tǒng)以硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)各個設(shè)備的互聯(lián)，將眾多系統(tǒng)子程序集成于一體，構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)。

根據(jù)該監(jiān)控系統(tǒng)的實際功能設(shè)計系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計包括PLC控制程序與上位機(jī)操作程序。PLC控制程序主要實現(xiàn)整個皮帶輸送機(jī)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集等功能，而上位機(jī)程序主要實現(xiàn)聯(lián)合控制，對監(jiān)控信息進(jìn)行顯示，并提供交互式人員操作平臺。該在線監(jiān)控系統(tǒng)使用了My SQL數(shù)據(jù)庫，相較于傳統(tǒng)的SQL Server、Oracle數(shù)據(jù)庫，My SQL數(shù)據(jù)庫具有執(zhí)行效率更高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，其余軟件程序的編程工作由專業(yè)團(tuán)隊合作完成，在此不再贅述。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)也可分為三層來分別描述，地面控制層主要設(shè)備為上位機(jī)以及控制主站，根據(jù)實際需求選擇聯(lián)想ST-500型計算機(jī)，該型計算機(jī)性能優(yōu)越、適應(yīng)環(huán)境較強(qiáng)；主控制站型號為S8-400PLC，上位機(jī)與各設(shè)備之間的通信依靠工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)，硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

控制主站不需要擴(kuò)展輸入與輸出模塊，因此結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)模塊接口，標(biāo)準(zhǔn)為315-2PN/DP，CPU的供電電源為24 V DC，具備以太網(wǎng)交互接口；電源模塊采用DS300 12 A的電源模塊，主要負(fù)責(zé)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(huán)境較寬泛。主要負(fù)責(zé)對輸送機(jī)皮帶轉(zhuǎn)速進(jìn)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(fù)責(zé)采集皮帶滾筒以及皮帶的溫度，防止因溫度過高對設(shè)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能測試

上位機(jī)操作程序采用MCGS結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能集成所有子程序，在滿足皮帶輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)控的同時，可對現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對輸送機(jī)狀態(tài)進(jìn)行分析，并設(shè)計了輸送機(jī)控制程序。上位機(jī)控制程序?qū)斔蜋C(jī)進(jìn)行監(jiān)控與控制，亦可提取輸送機(jī)歷史數(shù)據(jù)。上位機(jī)操作程序主界面如下頁圖3所示，程序設(shè)計可擴(kuò)展至同時對三臺皮帶輸送機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，軟件操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對皮帶輸送機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控。

圖3 輸送帶監(jiān)測系統(tǒng)主界面

最后對該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各項設(shè)計功能，具有對皮帶輸送機(jī)全天候監(jiān)控與設(shè)備初級故障診斷及報警的功能。一旦設(shè)備出現(xiàn)潛在故障時，系統(tǒng)能夠進(jìn)行主動報警，由于篇幅所限，在此不再對系統(tǒng)的各項功能作一一展示。