礦用皮帶輸送機監控系統設計與應用研究

石礁玉

（霍州煤電集團有限責任公司煤焦現代物流貿易分公司，山西 霍州 031412）

引言

煤炭需求量的不斷增大給傳統皮帶輸送機可靠性提出了更高要求，現已引起了煤炭企業的廣泛關注[1]。皮帶輸送機工作過程中具有運行平穩、能耗低、輸送距離可控的優勢，適合連續周轉輸送場合，滿足井下煤炭向地面輸送的要求[2-3]。由于煤炭井下工作環境較為惡劣，如煙霧、潮濕、瓦斯等，極不利于皮帶輸送機的長時間可靠工作，而且井下燈光暗淡，空間狹小，操作人員不能完全掌握其實際的運行情況，一旦出現故障輕則停機待修，重則釀成事故[4-6]。目前皮帶輸送機使用的控制系統較為落后，存在較多的不足，如保護系統缺失等，因此，針對煤炭企業服役皮帶輸送機控制系統存在的不足，開展監控系統設計工作與應用研究工作具有重要意義。

1 系統要求

監控系統應用于煤炭井下皮帶輸送機實時監控與遠程控制，首先需要系統組件具有較高的防爆性能，確保系統工作是安全可靠的。其次是系統要有較好的兼容性，監控系統設計需要兼顧皮帶輸送機原來的控制系統，要求新系統和原系統能夠完美融合。還有就是具備實時監控功能，能夠遠程實時顯示皮帶輸送機的運行狀態和性能參數。最后故障保護功能，能夠提示故障位置及報警，為運維人員提供故障排查數據。

2 系統方案

根據皮帶輸送機對于監控系統的需求，完成了監控系統方案的設計，如圖1 所示。由圖1 可以看出，皮帶輸送機監控系統中的下位機采用了PLC 控制器，上位機采用了工業用PC 機。監控系統工作過程中由各傳感器采集得到的皮帶輸送機實時運行狀態數據傳輸至PLC 中進行邏輯分析處理，處理完成之后的數據傳輸至上位機進行實時顯示，數據傳輸使用Modbus 實現。當傳感器檢測得到皮帶輸送機出現打滑、跑偏、撕裂等故障時，系統將會發出報警信號，提醒監控人員及時了解皮帶輸送機的運行故障情況，啟動急停功能，確保井下作業人員的安全，將經濟損失降到最低。與此同時，將故障數據傳送至PLC 控制器，進行邏輯分析處理，上位機能夠將故障類型與地址進行顯示，供運行維護人員參考及時排除故障。

圖1 皮帶輸送機監控系統方案

3 詳細設計

3.1 硬件設計

3.1.1 傳感器選型

皮帶輸送機監控系統數據來源于各個傳感器，為了保證監控人員能夠獲得較全面的皮帶輸送機實時運行數據，系統設計了皮帶運行速度傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、跑偏傳感器等。其中速度監測選擇型號為GSD6 礦用本安型速度傳感器，溫度監測選擇型號為PT100 的溫度傳感器，煙霧監測選擇型號為GQQ0.1 的煙霧開關，跑偏監測選擇型號為GEJ40 的礦用本質安全型跑偏傳感器，縱向撕裂監測選擇型號為GVD30 的膠帶縱向撕裂傳感器，同時配置GUJ50 型煤位傳感器和KGU3B 型堆煤開關。

3.1.2 攝像儀的選擇

皮帶輸送機監控系統配置了攝像儀，選擇了型號為KBA127 的礦用隔爆兼本安型攝像儀，使用時能夠直接接入纜聯機，應用方便快捷。攝像儀中的自動光圈鏡頭，具有較高的倍數，能夠錄制較遠距離的目標物。視窗材料為玻璃，經過納米技術處理，具有很好的透光率，同時不會吸附應用環境中的水霧、油污、塵土等微顆粒物質，能夠很好地適應煤礦井下工作環境。工作過程中具有彩色、黑白自動轉換，亮度自動調整等功能，確保了拍攝畫面的清晰性，以供皮帶輸送機監控人員更全面地掌握其運行狀態及環境情況。

3.1.3 保護系統

服役中的皮帶輸送機自帶的保護系統的抗背景噪聲能力很好，能夠滿足煤炭井下惡劣的工作環境要求，如爆炸氣體、煤塵、煙霧等。為了提高皮帶輸送機監控系統的可靠性，完善了皮帶輸送機原有的保護系統，增設了集中監控、張力調整、超溫噴水、制動、雙機拖動、開機預警等功能。與此同時，為了提高皮帶輸送機的故障排查效率，監控系統能夠及時顯示故障位置及種類，發出報警語音，提醒監控人員及時停機進行故障處理，通過語音對講可以實現監控室與現場操作工人之間的直接對話，以便做好運維人員的準確調度。

3.2 軟件設計

3.2.1 信號采集

監控系統信號傳輸運用了Modbus 總線，具有交互性好、操作簡便、可擴展等優勢，與此同時，抗外界環境因素干擾的能力強，能夠保證信號的準確性和可靠性。現場總線技術的應用，還可以降低PLC 需要配置的輸入模塊，減少系統安裝調試時間，提高設計人員的工作效率。監控系統PLC 型號為S7-200，自帶熱電偶模塊，具備溫度信號采集功能。其中皮帶張力、煙霧狀態、撕裂情況等模擬量較弱，干擾因素較多，直接進行信號采集將會增加成本，因此，選擇先進行模擬量轉換得到對應的數字量，能夠得到更好的信號采集效果。

3.2.2 模/數轉換

皮帶輸送機監控系統工作時需要采集其運行過程中的溫度、帶速、張力、跑偏、煤高等實時數據，均為模擬量信號，除了溫度信號可以直接輸入PLC 邏輯控制器之外的其他信號需要經過模擬量至數字量的轉換，得到模擬量對應的電壓或者電流等數字量，通過RS-485 串口實現數據的傳輸，再次經過數/模轉換得到對應的模擬量并顯示于上位機供監控人員監察。當監控人員觀察得到某個參數存在偏離需要調整時，可以直接在上位機界面進行參數調整，之后轉換成數字量信號傳輸至井下皮帶輸送機PLC，實現皮帶輸送機的遠程控制。

3.2.3 主程序設計

監控系統主程序基于STEP7Micro WIN 平臺開發，采用模塊化設計思想，具備各功能模塊獨立又可以統一調用的功能。系統開啟先進性初始化，隨著皮帶輸送機的運行，各傳感器開始采集數據并傳輸至PLC 進行邏輯分析。當采集數據超出預定范圍時，判斷異常立即報警，否則連續記錄運行數據并存儲。監控系統主程序主要是協調調用各個子程序，如數/模轉換、啟停控制、操作模式等子程序，確保監控系統的功能得以實現。主程序執行過程如圖2 所示。

圖2 主程序執行過程

3.3 人機交互界面

皮帶輸送機人機交互界面又稱監控系統界面，是實現井下皮帶輸送機運行狀態參數實時監控和在線調整的窗口，采用MCGS6.2 通用版軟件對其進行設計。圖3 所示給出了皮帶輸送機監控系統主界面，圖中顯示了井下三號線皮帶輸送機實時運行監控情況，監控界面中顯示了三條皮帶輸送機的實時運行狀態、各個運行參數數值、傳感器采集數據等，同時顯示了皮帶輸送機運行動畫。系統實時顯示的同時還能查詢歷史數據，為皮帶輸送機運維人員提供實用可靠的數據，指導其更好的開展運維工作。

圖3 監控系統主界面

4 應用效果評價

為了驗證皮帶輸送機監控系統的實用性，將其應用于某煤炭企業服役的皮帶輸送機運輸系統進行試運行，對其進行為期半年的跟蹤記錄。結果表明，監控系統運行穩定可靠，滿足皮帶輸送機在線監控與遠程控制的要求。統計結果顯示，相較于原控制系統，監控系統的引用提高了皮帶輸送機運行的可靠性，降低了近12%的皮帶輸送機故障排查時間，節省了3～4 名設備運行維護人員，能夠實時掌握皮帶運行狀態并適當進行調整，提高了近10%的皮帶輸送機有效工作時間，降低了煤炭生產成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100 萬元/年。