皮帶運輸機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)的研究

石 峰

（汾西礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司營運分公司，山西 介休 032000）

引言

皮帶輸送機是礦井煤炭運輸?shù)闹饕O(shè)備，其運行可靠性以及效率直接關(guān)系到煤炭的開采效率[1-2]。隨著礦井采面斜長、推進距離以及回采速度的不斷增加，皮帶輸送機運輸長度、負載等均隨之加大[3]。皮帶輸送機工作環(huán)境較為惡劣，加之負載較大，在使用過程中容易出現(xiàn)縱向撕裂、斷裂、皮帶打滑、跑偏等故障。皮帶輸送機故障發(fā)生具有突發(fā)性并會影響設(shè)備使用效率及壽命[4-5]。因此，對皮帶輸送機運行進行監(jiān)測對增強皮帶輸送機運行可靠性、降低故障發(fā)生率具有重要意義。

1 皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文研究的皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，整個監(jiān)控與保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括地面監(jiān)控中心、工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)、PLC 控制器、CAN 總線、現(xiàn)場上位機以及監(jiān)測傳感器等[6-7]。地面監(jiān)控中心主要設(shè)備為主備用監(jiān)控PC、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、防火墻以及顯示屏等，監(jiān)控中心可實時顯示獲取到的皮帶輸送機運行狀況、顯示運行曲線以及運行畫面；工業(yè)以太網(wǎng)主要用以信息傳輸；井下PLC 控制器以及現(xiàn)場上位機等設(shè)備用以對傳感器獲取到的信息進行轉(zhuǎn)換、分析以及判斷，將監(jiān)測信息傳輸給地面監(jiān)控中心，當判斷皮帶輸送機運行存在故障時可及時發(fā)出預(yù)警信息提醒現(xiàn)場人員前去處理；現(xiàn)場布置的傳感器包括有保護開關(guān)、各類監(jiān)測傳感器以及防爆攝像頭等，傳感器監(jiān)測獲到的信息以CAN 總線為通道傳輸給PLC 控制器，當監(jiān)測到皮帶輸送機關(guān)鍵點存在故障時則PLC 控制器會向皮帶輸送機發(fā)出停機指令。

圖1 皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件設(shè)備選型

皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)硬件設(shè)備主要為主控制器以及各類傳感器。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，對選用的主控制器穩(wěn)定性及可靠性有較高要求，為此，文中采用的主控制器型號為S7-1200PLC。該控制器中央處理模塊為CPU1214C，配套使用的輸入、輸出模塊分別為SM1231、SM1223，用以采集數(shù)字信號、輸出控制信號；現(xiàn)場采用CSM1277 通信模塊實現(xiàn)現(xiàn)場上位機、PLC 控制器間的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控與保護單元主要由各類傳感器以及保護開關(guān)等構(gòu)成，具體采用的傳感器類型包括有速度、溫度、張力、振動、縱向撕裂傳感器等。

1）皮帶輸送機運行時需要對驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶帶速等進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果可直接用以輸送帶打滑、斷裂、改向滾筒故障等診斷。速度監(jiān)測選用的傳感器類型為KGS2，將速度傳感器分別布置在驅(qū)動滾筒、改向滾筒以及輸送帶下方對滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶帶速進行測定。

2）選用的振動傳感器型號為CYT9200，將傳感器布置在減速器外殼上可實時對驅(qū)動滾筒、減速器等振動信號進行監(jiān)測。

3）選用的溫度傳感器型號為PT100，具體溫度傳感器安裝在皮帶輸送機上以及運輸巷道內(nèi)兩個位置，具體在皮帶輸送機電機軸承、滾筒軸瓦、電機繞組等位置布置溫度傳感器以便對輸送機關(guān)鍵位置溫度進行監(jiān)測；在巷道內(nèi)布置溫度傳感器對輸送帶異常摩擦或者電機故障導(dǎo)致的火災(zāi)事故進行監(jiān)測。

4）選用的張力傳感器型號為Celtron STC，將張力傳感器布置在張緊裝置、皮帶輸送機機尾滾筒間，用于對輸送帶張力故障進行診斷。

5）保護開關(guān)。選用的保護開關(guān)包括有撕裂、跑偏、煙霧、堆煤以及急停等。選用的撕裂保護開關(guān)型號為KPJ1A，將其布置在落料口位置用以對撕裂故障進行保護；選用的跑偏開關(guān)型號為KGE9A 型，分別在機尾、機身兩側(cè)布置，用以對輸送帶跑偏監(jiān)測及保護；煙霧保護開關(guān)型號為KGV1 型，布置在被保護裝置下風(fēng)口5～50 m 位置；堆煤保護開關(guān)型號為GUJ35，安裝在輸送機搭接位置，當發(fā)現(xiàn)堆煤時堆煤保護開關(guān)即刻動作；急停保護開關(guān)型號為KPG3，間隔一定距離在皮帶輸送機沿線上布置，實現(xiàn)輸送機緊急停車。

6）布置的攝像頭型號為KBA4A 型，該攝像頭具有故障發(fā)生率低、體積小、維護方便等優(yōu)點，可滿足皮帶輸送機沿線監(jiān)控需要。攝像頭獲取到的畫面可通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸給地面監(jiān)控中心。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 下位機監(jiān)控程序

井下現(xiàn)場布置的下位機為S7-1200 系列PLC，該控制器可通過編譯軟件進行程序設(shè)計。具體控制程序設(shè)計依據(jù)故障監(jiān)測流程編寫，并依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測以及保護需要，在編寫軟件時應(yīng)具備皮帶輸送機運行工況、故障診斷、報警以及綜合保護等功能。現(xiàn)場主機具有的控制程序包括有CAN 總線通信程序、聲光報警程序、系統(tǒng)保護程序、初始化程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序以及停機控制程序等。

2.2 上位機監(jiān)控程序

現(xiàn)場布置的上位機裝置監(jiān)控軟件使用CGS 組態(tài)軟件編制，軟件整體呈現(xiàn)模塊化風(fēng)格，并可以曲線以及動畫形式直觀地實現(xiàn)傳感器監(jiān)測結(jié)果。現(xiàn)場工作人員可依據(jù)監(jiān)控畫面以及畫面變化情況實時掌握皮帶輸送機運行情況。PLC 控制器與現(xiàn)場上位機間采用以太網(wǎng)方式傳。上位機監(jiān)控程序包括有主界面、系統(tǒng)菜單、數(shù)據(jù)顯示、報警窗口以及故障診斷界面等組成，具體上位機監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)框圖見圖2 所示。通過上位機監(jiān)控程序可對傳感器報警閾值進行設(shè)定，當傳感器監(jiān)測值超過設(shè)定閾值后上位機即會發(fā)出報警。

圖2 上位機監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)語

為了減小礦井皮帶運輸機在現(xiàn)場使用過程中各類故障對輸送機運行影響，并降低故障發(fā)生率，設(shè)計了一種皮帶輸送機運行監(jiān)測與保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC 控制器為核心對輸送機上以及沿線布置的各類傳感器監(jiān)測結(jié)果進行分析、顯示，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對皮帶輸送機運行進行保護。同時在輸送機沿線布置的攝像頭可實現(xiàn)輸送機運行的實時監(jiān)測，提高帶式輸送機的工作效率及可靠性。