煤礦主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏靈寶

（太原煤氣化有限責(zé)任公司東河煤礦，山西 臨汾 041207）

引言

煤礦井下主皮帶運(yùn)輸機(jī)具有操作簡單、維修便利及運(yùn)輸量較大等優(yōu)勢，已在國內(nèi)大部分礦井投入運(yùn)行，但其運(yùn)輸距離較長，在實(shí)際應(yīng)用中會出現(xiàn)皮帶斷裂、脫軌、打滑、減速裝置軸承斷裂及堆煤等問題，降低了煤炭的生產(chǎn)效率，并且會對工作人員的人身安全造成威脅。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定性高、傳輸速度快的主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備故障實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)警功能，可顯著提高煤炭運(yùn)輸效率，降低檢修成本，對于礦井生產(chǎn)具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。針對傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯復(fù)雜，自適應(yīng)效果差等問題，有學(xué)者提出了一種基于PLC 編程的監(jiān)控系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的實(shí)用性與數(shù)據(jù)傳輸速度得到較大提高。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以進(jìn)一步提高主皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸性能，保障工作人員的人身安全。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

綜采工作面采得的煤炭首先通過刮板輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)较锏溃S后經(jīng)一號皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到一號煤炭存儲倉庫，然后將煤炭運(yùn)到二號運(yùn)輸機(jī)，輸送到二號煤炭存儲倉，以此類推，煤炭被運(yùn)輸至三號皮帶運(yùn)輸機(jī)，最后所有煤炭被集中存儲在總倉庫。根據(jù)這一運(yùn)輸過程，本文將皮帶監(jiān)控系統(tǒng)分為三個(gè)控制級，如圖1 所示為本文所設(shè)計(jì)的礦下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從上至下依次為主站級控制、分站級控制及設(shè)備級控制。主站級控制由遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)與控制主站組成，通過基于傳輸控制/互聯(lián)協(xié)議的通信方式實(shí)現(xiàn)對三個(gè)控制分站的控制，并將三臺皮帶運(yùn)輸機(jī)所有數(shù)據(jù)以傳輸控制/互聯(lián)協(xié)議的通信方式返回到遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)皮帶狀態(tài)、參數(shù)、故障及所有設(shè)備的工作狀態(tài)的顯示功能；分站級控制則由三個(gè)控制分站與變頻器組成，可用于接受傳感器信號、監(jiān)測故障信號，并對皮帶運(yùn)輸機(jī)的傳輸速度進(jìn)行控制；設(shè)備級控制即指皮帶運(yùn)輸機(jī)的控制系統(tǒng)，其傳感器可傳輸監(jiān)測堆煤、皮帶斷裂等信號[1-3]。

圖1 礦下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

德國SIEMENS 公司生產(chǎn)的PLC 產(chǎn)品在金屬、化工、煤礦等行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)已較為成熟，其PLC 產(chǎn)品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400、S7-1500等。根據(jù)上一小節(jié)所設(shè)計(jì)的礦下皮帶監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)選用可滿足小規(guī)模性能需求的S7-300型PLC 可編程控制器實(shí)現(xiàn)多級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制，S7-300型PLC 適用于復(fù)雜系統(tǒng)的控制，該控制器可利用自帶的兩端口傳輸控制/互聯(lián)協(xié)議通信功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)與控制分站的通信功能，無需額外通信模塊。該控制器為直流24 V 供電模式，電源采用恒定10 A 電流模塊。變頻器則選擇瑞士ABB 公司的ACS 800-37，利用該變頻器與PLC實(shí)現(xiàn)對皮帶運(yùn)輸機(jī)傳輸速度的控制。根據(jù)上位界面需顯示的參數(shù)與控制參考值，對模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，外接了數(shù)量足夠的信號輸入輸出模塊，完成對控制主站與分站的控制。如表1 所示為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的輸入/輸出地址。

表1 礦下皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)輸入/輸出地址

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 主程序功能

通過PLC 編程實(shí)現(xiàn)的皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)程序應(yīng)具備多個(gè)功能，包括初始化、程序檢測、頻率控制、傳輸控制/互聯(lián)協(xié)議通信、故障識別、模擬量與數(shù)字量處理等功能。如圖2 為礦下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體的控制流程：首先判斷是否發(fā)生遠(yuǎn)程故障，若發(fā)生遠(yuǎn)程故障則進(jìn)行就地操作，無遠(yuǎn)程故障則判斷設(shè)備是否發(fā)生故障，若有故障則進(jìn)行檢修處理故障，無故障后則進(jìn)入控制模式選擇；控制模式有就地、集控及檢修三種模式，分別對應(yīng)就地、遠(yuǎn)程及檢修操作。選擇就地操作與遠(yuǎn)程操作后再選擇啟動方式，可分別控制三臺皮帶運(yùn)輸機(jī)。故障識別程序可對溫度過高、堆煤、脫軌、斷裂、煙霧及打滑等現(xiàn)象進(jìn)行識別，當(dāng)識別出發(fā)生故障時(shí)，在上位機(jī)軟件上會顯示報(bào)警信息與故障類型，從而確定處理故障的對應(yīng)措施[4-5]。

圖2 礦下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

如圖3 所示為礦下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用的上位機(jī)軟件界面，其通過傳輸控制/互聯(lián)協(xié)議通信功能實(shí)現(xiàn)對三臺皮帶運(yùn)輸機(jī)傳感器傳輸信息的獲取，將這些信息顯示在軟件界面上可進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。軟件界面中間顯示了三臺皮帶運(yùn)輸機(jī)的設(shè)備狀態(tài)，并可分別對三臺皮帶機(jī)與兩臺給煤機(jī)進(jìn)行啟動、停止或急停操作；軟件界面右上角有模式與啟動方式的選擇功能；最下方有三臺運(yùn)輸機(jī)、報(bào)警顯示、參數(shù)設(shè)置及用戶登錄七個(gè)選項(xiàng)，可快速進(jìn)行界面選擇，以實(shí)時(shí)觀測所需信息。

4 應(yīng)用效果分析

在國內(nèi)某礦場的綜采工作面2-1 對本文所設(shè)計(jì)的礦下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)長半年的應(yīng)用試驗(yàn)，并對故障頻率、數(shù)據(jù)傳輸速度、設(shè)備損壞數(shù)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄與分析。數(shù)據(jù)顯示所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，實(shí)時(shí)跟蹤性能大幅提高，故障頻率下降40%以上，煤礦的生產(chǎn)效率提高45%。

5 結(jié)語

隨著PLC 編程技術(shù)在多個(gè)行業(yè)的成熟應(yīng)用，將其應(yīng)用于礦下主皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控具有明顯優(yōu)勢，本文所設(shè)計(jì)的基于PLC 編程的皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過將系統(tǒng)控制分為主站級控制、分站級控制及設(shè)備級控制，可實(shí)現(xiàn)礦井下生產(chǎn)效率、安全性、穩(wěn)定性的顯著提高，所設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，可顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速度、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)監(jiān)控性能，對煤礦的生產(chǎn)效率與檢修人員的人身安全具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[6-7]。