礦井皮帶運輸機運行狀態監測與保護系統設計

郭 濤

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

皮帶運輸機一直以來都是礦井運輸煤炭的重要機械設備，在煤礦開采過程中發揮著舉足輕重的作用。但是隨著工作面長度的增加，井下大都使用長距離皮帶機，而且井下工作環境復雜惡劣，加上皮帶機長期不間斷運輸煤炭，容易發生皮帶斷裂、皮帶縱向撕裂、皮帶打滑、皮帶跑偏等各類故障，煤炭容易發生撒料、堆煤，工作面容易發生火災事故。上述皮帶機的故障具有突發性，不但會影響皮帶機的使用壽命，而且還會影響煤礦的正常運營，工作面發生火災更是會威脅到工作人員的生命安全[1，2]。因此，對皮帶運輸機進行運行狀態監測和保護，實現皮帶運輸機的“無人值守”具有重要的意義。為此，本文設計了一套基于PLC的皮帶運輸機運行狀態監測與保護系統，可實現井下遠程監控平臺、地面監控中心對皮帶運輸機的實時狀態監控、故障診斷、故障報警以及綜合保護功能。

1 皮帶運輸機日常故障類型分析

皮帶運輸機日常發生的故障及故障原因有[3]：①皮帶跑偏：皮帶跑偏故障發生占比較大，主要分為皮帶懸空于皮帶機支架上方和偏離皮帶機支架兩側兩種情況，皮帶跑偏如若不及時處理，則會導致煤炭撒料、堆積現象，而長時間的皮帶跑偏更會引起皮帶撕裂，縮短皮帶的使用壽命;②皮帶斷裂：當皮帶老化、磨損嚴重時，如若不及時處理，便會發生皮帶斷裂，皮帶斷裂常發生在皮帶機滾軸處和皮帶接口處;③皮帶機撒料：撒料分為兩種情況，一種是懸空撒料，另一種是皮帶跑偏造成的撒料;④皮帶打滑：當皮帶與轉軸無法同步轉動時，皮帶與轉軸間便會發生滑動摩擦情況，即為皮帶打滑，皮帶打滑多數是因為皮帶機的張緊裝置出現問題。

2 皮帶運輸機監測與保護系統總體結構設計

圖1為皮帶機狀態監測與保護系統的總體結構示意圖。整個系統由地面監控中心、工業以太環網通信網絡、井下現場上位機、PLC主控制器、CAN總線通信網絡、傳感監測與保護單元等組成。其中，地面監控中心由一主一備監控電腦、防火墻、數據庫服務器、LED大屏幕等組成，負責將井下上傳的數據信息在LED大屏幕進行實時曲線、歷史曲線顯示以及視頻圖像顯示，同時具有在線數據存儲、報表生成、報表打印等功能；工業以太環網通信網絡是系統的通信通道，可擴展性強；井下現場上位機、PLC主控制器負責對采集的信息進行數據轉換、智能分析和診斷處理，判別各種可能的故障類型，并由現場上位機通知現場工作人員；傳感器監測與保護單元由礦用傳感器、保護開關、本安攝像機組成，負責對皮帶運輸機的運行狀態及環境狀況進行監測，并通過CAN總線通信方式將采集數據傳輸給PLC控制器，同時執行故障保護功能，當系統監測到相應的故障時，將由開關執行停機操作，同時采集皮帶機機頭、機尾的圖像信息，并利用光纖通信方式經交換機傳輸至地面監控中心。

圖1 皮帶運輸機監測與保護系統總體結構示意圖

3 硬件部分方案設計與選型

3.1 井下主控制器選型

主控制器選用西門子S7-1200系列PLC。中央處理器單元選擇CPU1214C模塊；為了對傳感器采集的數據進行轉換，采用了模擬量輸入模塊SM1231；同時采用數字量輸入輸出模塊SM1223，用于數字量的采集以及控制信號的輸出；通過以太網通信模塊CSM1277實現PLC主控制器與井下現場上位機之間的雙向傳輸[4]。

3.2 傳感監測與保護方案設計與選型

本文搭建的傳感監測與保護單元由各類礦用傳感器及傳感保護開關組成，以下對部分設備型號進行了具體選擇，同時對監測安裝位置進行了設計：

(1) 速度傳感器：皮帶機中有兩處速度需要測量，一是驅動滾筒轉速，二是皮帶帶速。測量結果可用于皮帶斷帶、打滑、改向滾筒運轉不靈活等故障的診斷。將速度傳感器分別安裝于驅動滾筒軸上、改向滾筒軸上及機架上并置于皮帶下方。速度傳感器采用KGS2型傳感器。

(2) 振動傳感器：選用型號為CYT9200的一體化振動變送器，將其安裝在減速機的外殼上，通過監測獲取來自減速機及驅動滾筒的振動信號。

(3) 溫度傳感器：選用PT100型溫度傳感器。溫度傳感器的安裝分兩種情況，一是將其安裝于皮帶機滾筒軸瓦、電機軸承、電機繞組上，以此來監測皮帶機的部件溫度，用于故障判斷；二是將其安裝于巷道中，用于識別火災事故。

(4) 張力傳感器：選用Celtron STC系列拉力傳感器，將其安裝于皮帶機和拉緊裝置之間，用于皮帶斷帶故障的診斷。

(5) 縱撕開關：選用KPJ1A型縱撕開關，將其安裝于落料口處，用于診斷縱撕故障。

(6) 跑偏開關：選用KGE9A型跑偏開關，將其安裝于機頭、機尾及機身兩側。

(7) 煙霧開關：選用KGV1型煙霧開關，將其安裝于被保護處的下風口5 m～50 m內，各煙霧開關之間應保證50 m～100 m的間距。

(8) 堆煤開關：選用GUJ35型堆煤開關，將其安裝在皮帶搭接處，當皮帶運輸機發生堆煤時，堆煤開關動作，皮帶運輸機停止。

(9) 急停開關：選用KPG3型急停開關，將其以某一固定間隔在皮帶機長度方向安裝，用于重大故障時實現緊急停機。

(10) 本安攝像機：選用KBA4A型本安攝像儀，該型號設備體積小、故障率低、便于安裝維護，非常適合井下復雜惡劣的環境。拍攝的圖像可通過光纖通信方式直接上傳到地面監控中心[5]。

4 監控系統軟件方案設計

4.1 下位機程序設計

系統主控制器為S7-1200系列PLC，采用其專用的博途V12系列編程軟件對系統進行下位機程序開發，采用模塊化設計思想按照依次監測故障的流程編寫程序。根據皮帶機運行狀態監測和保護要求，在軟件設計時系統應實現對皮帶機的工況監測、故障診斷、故障報警、綜合保護等。系統下位機程序包括主程序、聲光報警程序、CAN總線通信程序、參數初始化子程序、系統保護子程序、傳感器數據采集子程序、停機信號子程序等。圖2為系統保護子程序的流程框圖。

圖2 系統保護子程序流程框圖

4.2 上位機監控軟件設計

井下現場上位機監控軟件基于MCGS組態軟件，采用模塊化設計風格，以較為形象的動畫及曲線的形式進行人機交互，具有很強的擴展性。現場工作人員通過圖畫和曲線便可對皮帶運輸機的工況參數變化進行實時監測，同時進行控制指令的發送。PLC與井下現場上位機之間通過以太網方式進行通信。上位機監控軟件由系統菜單、主界面、采集數據顯示界面、故障診斷分析界面、報警窗口組成。圖3為軟件的界面組成框圖及具體實現功能。

圖3 軟件的界面組成框圖及具體實現功能

系統在主界面有報警條件設置一欄，若傳感器監測設置不在所設定的閾值范圍之內，那么系統將啟動報警裝置，并進行相應的停機操作或者其他處理動作。

5 結論

針對皮帶運輸機在運輸過程中存在的各類故障，本文設計了一套基于PLC的皮帶運輸機運行狀態監測與保護系統，通過各類礦用傳感器、傳感監測保護開關、本安攝像機實現了對皮帶機全方位、全周期不間斷的動態監管，通過監測裝置之間的配合進一步完善了故障診斷功能，提高了皮帶機運輸的效率和安全性，具有一定的參考價值和實際意義。