煤礦主皮帶機遠程監控系統的設計與實現*

卓 兵

(山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200)

0 引 言

皮帶運輸機利用滾筒摩擦力帶動皮帶運轉，是煤炭開采過程中重要的運輸設備，一旦發生故障導致停機，將會給煤礦帶來巨大的經濟損失。根據煤礦安全防護規程，皮帶運輸機需要安裝防打滑、防跑偏、防堆煤、防縱向撕裂等保護裝置，以及需要具備急停閉鎖、張力調節、超溫灑水等功能。目前，國內外很多學者對皮帶運輸機監控系統進行了開發，但是國內監控系統存在系統功能少、自動化程度低、可靠性低與故障定位不準確等問題，國外系統存在價格貴、系統兼容性差等問題。筆者結合礦山實際情況，基于嵌入式處理器，提出一種皮帶機遠程監控系統設計方案。系統集成狀態監測、自動控制、故障診斷、軟起動等功能于一體，最終達到實現方便工作人員操作，提高皮帶運輸的自動化與智能化水平的目標。

1 系統整體方案設計

1.1 系統監控需求及重點

系統通過采集皮帶運輸機工況參數來實現自動控制與遠程監測，監測量包括：皮帶運行速度、實時張緊力，滾筒溫度與振動，電機的電流、溫度與振動、減速器高速軸、中速軸與低速軸的溫度與振動信號、跑偏、縱向撕裂、堆煤與鹽霧傳感器的采集數據。控制量包括：軟起動回路、張緊回路、急停閉鎖回路等的控制開關，皮帶運輸機灑水裝置的電磁閥開關等。

1.2 系統整體方案設計

皮帶運輸機遠程控制系統的整體結構如圖1所示。

圖1 遠程監控系統整體方案設計

系統包括上位機、處理器模塊、機頭下位機、機尾下位機及信號采集設備等。系統上位機安裝于地面，通過CAN總線的方式與處理器模塊通信，并與井下語音報警模塊、沿線管理模塊、井下配電模塊等進行信息通訊。處理器模塊安裝于巷道調度室，采用STM32系列芯片，負責下位機信息的綜合處理及信息通訊。機尾下位機負責跑偏、撕裂傳感器數據的采集，機頭下位機負責溫度、帶速及煙霧等參數的采集，并控制變頻器驅動電機，實現皮帶運輸機的軟起動與遠程控制。

1.3 系統整體功能

監控系統主要實現的功能包括：自動控制功能，包括皮帶機軟起動、自動張緊、自動灑水等控制功能，可實現遠程控制、就地控制、集中控制等多種控制方式；狀態監測功能，滾筒溫度、皮帶運轉速度、張緊力、電機溫度及減速器溫度、電機電流等參數的實時監測功能；故障定位功能，根據各類傳感器及保護裝置的監測參數，對故障進行定位；數據存儲功能，記錄設備實時工況參數、操作記錄等，并支持在線查詢功能；遠程監控功能，通過地面上位機可實現設備參數的遠程共享與控制；參數設置功能；通過系統可修改控制參數、故障參數、通信狀態等。

2 監控系統硬件設計

2.1 系統下位機模塊設計

系統下位機分為機頭下位機與機尾下位機，其中機尾下位機主要檢測皮帶的跑偏與撕裂，機頭下位機負責檢測安裝位置附近的皮帶機工況參數，并對沿線的灑水裝置與急停開關等設備進行控制，對皮帶機的驅動裝置變頻器進行控制。機頭下位機的結構圖如圖2所示，包括電源轉換電路、急停開關電路、通信電路、信號采集電路及繼電控制電路等。

圖2 機頭下位機模塊結構圖

2.2 傳感器的選型及布置

傳感器裝置負責設備的參數采集，安裝位置、方式及環境都會對采集數據的準確度與精度造成影響，筆者通過查閱資料、技術論證等，最終確定各傳感器的型號及布置方式。

速度傳感器用于檢測皮帶運轉速度，通過與速度閾值比較，判斷皮帶是否出現打滑或者超速。系統采用GSC6-SC型號速度傳感器，安裝于皮帶回程位置，滾輪與皮帶緊密相接。溫度傳感器用于檢測滾筒及其他設備的溫度，防止摩擦引起的火災事故，系統采用KGW200H型紅外溫度傳感器，安裝于皮帶機機架，紅外探頭距離驅動滾筒200 mm左右。煙霧傳感器用于檢測電纜、煤炭等燃燒引起的煙霧，系統采用GQL0.1型煙霧傳感器，通常安裝于驅動滾筒的下風口處。跑偏傳感器用于檢測皮帶運行過程中的位置，防止偏向其中一側，系統采用GEJ-15型跑偏傳感器，主皮帶機安裝6個跑偏傳感器，分別安裝于機頭、中部與機尾的兩側。

3 監控系統軟件設計

3.1 系統運行控制流程

系統上電初始化后，會對各皮帶機沿線設備分配地址，循環檢測沿線設備是否故障。系統啟動后，系統進行故障自檢，向張緊電機發送啟動信號，當張緊力達到要求后，發送軟起動信號，軟起動回路發送反饋信號，上位機控制抱閘回路松閘，控制變頻器驅動電機運轉，皮帶機進入正常運行狀態。運行過程中，檢測皮帶機的工況參數，結合傳感器數據及系統設定的報警閾值，對皮帶機的故障進行監測與診斷，并執行相應的報警程序、灑水程序及停機程序等。當按下系統的停機開關后，驅動電機首先接到停機指令，帶速逐漸降低，抱閘回路控制電機進行抱閘動作，最后張緊電機停轉。

3.2 系統人機界面設計

系統人機界面采用LabVIEW開發環境，編寫相關通訊程序及數據庫程序，系統的主控界面設計如圖3所示。

圖3 系統主控界面設計

界面右上方顯示運行時刻，左側的運行模式包括就地控制、集中控制與檢修模式三種，檢修模式下關閉了各設備之間的聯鎖控制，可單獨對檢修設備進行啟停操作。運行模式下，可通過參數設置界面修改系統參數。通過右側數據可定位皮帶、通訊等故障發生的位置信息，方便快速檢修。左下方顯示主皮帶機的運行工況，包括帶速、帶溫的實時數據，是否發生跑偏、撕裂、堆煤及打滑等故障，若發生故障，指示燈變為紅色。右下方為軟起動系統、抱閘電機及張緊電機的控制按鈕及狀態顯示。除了主控界面，系統還包括急停、故障診斷、記錄、接線、參數設置及操作說明等界面。

4 系統應用效果

系統在應用于現場設備之前，經過了一系列的調試試驗，試驗數據如表1所列。

表1 試驗數據

結果證明：上位機可實現皮帶機的遠程控制，實時顯示皮帶運行速度、張緊力、滾筒溫度及電流等工況參數，且顯示數據與實際數據的誤差小于3%。當發生跑偏、堆煤、打滑等故障時，可較快的診斷故障及定位，滿足皮帶機監控需求。系統應用現場設備后，經過一系列現場試驗表明：系統在實際環境下具有較高的可靠性與穩定性，通訊距離可達1 000 m，滿足系統遠程監控需求，系統自動化程度較高，故障定位準確，實現了皮帶機及沿線設備的綜合一體化控制，達到預期設計要求。

5 結 語

針對煤礦主皮帶機設計了一種基于嵌入式處理器的遠程監控系統，重點實現了皮帶機及沿線設備的監控一體化，試驗結果證明，系統可靈敏的診斷出皮帶機的故障類型，實時顯示運行參數，且誤差范圍較小，滿足皮帶機的監控需求。

煤礦主皮帶機作為煤炭運輸的關鍵設備，其技術水平及運輸性能將很大的影響煤礦開采運輸效率。目前，我國皮帶運輸機機電一體化技術不斷進步，但在大型皮帶機的軟起動與制動技術上還存在一定差距，下一步應當提高電機功率平衡精度與軟起動的平穩性，降低對元部件的沖擊，為煤礦生產提供高效、安全的技術保障。