礦用帶式輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

喬 怡

（晉能控股裝備制造集團(tuán)機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)作為煤炭生產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵輸送設(shè)備，其工作的可靠性不僅關(guān)系著井下礦工的安全，還與煤炭行業(yè)的產(chǎn)煤效率息息相關(guān)，必須引起高度重視[1-4]。皮帶輸送機(jī)常見的故障包括跑偏、煙霧、打滑等，一旦出現(xiàn)故障將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，嚴(yán)重的將會(huì)導(dǎo)致事故。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)近年來在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用較多，取得了較好的效果，得到了各方面的認(rèn)可[5-6]。因此，基于某煤礦企業(yè)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀況，對于提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)行安全性具有重要的意義。

1 皮帶輸送機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理

帶式輸送機(jī)煤炭遠(yuǎn)距離輸送功能的實(shí)現(xiàn)依賴于其自身的結(jié)構(gòu)組成，主要包括框架、輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、滾筒、張緊裝置等，驅(qū)動(dòng)裝置主要構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、制動(dòng)器等。整個(gè)帶式輸送機(jī)工作過程原理如下：輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力來源于驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)滾筒、托輥和轉(zhuǎn)向滾筒支撐皮帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，為了保證皮帶具有足夠的輸送動(dòng)力，設(shè)計(jì)張緊裝置以便及時(shí)調(diào)整帶式輸送機(jī)皮帶的松緊度，確保皮帶獲得足夠的摩擦驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)煤炭遠(yuǎn)距離輸送，完成煤炭井下至地面的輸送工作。

2 系統(tǒng)方案

基于某型號(hào)帶式輸送機(jī)完成了監(jiān)控系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，如圖1所示。由圖1可以看出監(jiān)控系統(tǒng)涉及井下和地面兩部分，二者之間通過以太網(wǎng)連接，井下部分設(shè)置了三個(gè)監(jiān)測分站，各個(gè)分站系統(tǒng)的控制核心部件采用PLC實(shí)現(xiàn)。為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，隔離箱具有防爆礦用隔爆兼本質(zhì)安全性能，確保監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中的安全和可靠，地面部分主要由上位機(jī)組成，用于實(shí)時(shí)顯示帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC控制器

PLC作為監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，其工作的可靠性至關(guān)重要。本系統(tǒng)選擇西門子S7-200系列CPU226的PLC，是專門用于工業(yè)環(huán)境下的數(shù)字控制系統(tǒng)的裝置，能夠?qū)崟r(shí)完成信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、處理等功能。PLC的主要組成包括中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出模塊等，PLC的組成結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。中央處理器主要完成數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)算工作；存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包括ROM和RAM兩部分；輸入/輸出模塊用于連接PLC和系統(tǒng)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程控制；電源模塊主要為PLC內(nèi)部各個(gè)單元電路供電。

圖2 PLC結(jié)構(gòu)組成

3.1.2 數(shù)字量模塊

監(jiān)控系統(tǒng)選用的S7-200系列的PLC中包括8路數(shù)字量擴(kuò)展模塊，涉及擴(kuò)展輸入EM221和擴(kuò)展輸出EM222，配置了多種I/O接口。為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的I/O接口采取了10%~15%的冗余，以備后用。PLC系統(tǒng)I/O接口需要的數(shù)量根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行配置，如連接跑偏傳感器、煙霧傳感器等采集得到的數(shù)字量數(shù)據(jù)。

3.1.3 模擬量模塊

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集得到的傳感器信號(hào)多為模擬量，為了將其轉(zhuǎn)化成PLC能夠識(shí)別的數(shù)字量，需要模擬量模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換為0~5 V電壓信號(hào)或4~20 mA電流信號(hào)，供PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際需求，模擬量模塊需要配置24個(gè)振動(dòng)檢測接口、4個(gè)溫度監(jiān)測接口，分別連接對應(yīng)的振動(dòng)傳感器和溫度傳感器。采用1個(gè)4路EM231模擬量輸入模塊采集溫度信號(hào)，獲得4~20 mA電流信號(hào)，采用3個(gè)8路EM231模擬量輸入模塊采集振動(dòng)信號(hào)，獲得4~20 mA電流信號(hào)。

3.1.4 通信模塊

帶式輸送機(jī)數(shù)據(jù)采集與通訊使用了現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)，工業(yè)交換機(jī)采用1 000 M的光纖環(huán)網(wǎng)，由環(huán)網(wǎng)接收各個(gè)子系統(tǒng)采集得到的狀態(tài)信息并發(fā)送控制指令，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹Ｓ捎诿禾烤颅h(huán)境較為復(fù)雜、傳輸距離較長，數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)度難以保障，系統(tǒng)使用串口端和光纖收發(fā)器接入工業(yè)交換機(jī)。與此同時(shí)，系統(tǒng)通訊系統(tǒng)采用了屏蔽電纜，完成井下采集數(shù)據(jù)至井上PLC的傳輸，之后經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)處理之后顯示于上位機(jī)供監(jiān)控人員及時(shí)獲取帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。具體數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1主程序

基于帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成，完成了軟件設(shè)計(jì)工作，監(jiān)測流程如圖4所示。系統(tǒng)將模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理獲取帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)通過分析帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)測值與預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行對比，通過判斷兩者之間的大小關(guān)系確定帶式輸送機(jī)是否正常工作。當(dāng)帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測參數(shù)數(shù)值未超過設(shè)定預(yù)警數(shù)值時(shí)，說明帶式輸送機(jī)運(yùn)行正常；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)數(shù)值超出了預(yù)警數(shù)值，說明帶式輸送機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)了故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止帶式輸送機(jī)工作，等待故障排查和處理。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)測流程

3.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)所使用的振動(dòng)和溫度等傳感器輸出的均為電流信號(hào)，PLC能夠識(shí)別處理的為數(shù)字量信號(hào)，傳感器輸出的模擬量均為4~20 mA電流信號(hào)，故而模擬量采集得到的模擬量信號(hào)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊之后才能與PLC進(jìn)行信息交互，由EM231進(jìn)行數(shù)字量和模擬量之間的轉(zhuǎn)換之后實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。

3.2.3 狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)所用的PLC能夠?qū)崿F(xiàn)24路振動(dòng)信號(hào)的采集，涉及電機(jī)前后軸、耦合器前后軸、減速器前后軸等各軸的振動(dòng)，同時(shí)，也能采集4路溫度信號(hào)的采集，涉及電機(jī)前后軸瓦等。通過對比實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)值與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的反饋控制。

3.2.4 預(yù)警、報(bào)警設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)獲取帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)之后比較分析實(shí)際狀態(tài)參數(shù)與設(shè)定預(yù)警值的差值，其中的開關(guān)量監(jiān)測只需監(jiān)測獲取開關(guān)量的狀態(tài)。當(dāng)采集得到的實(shí)測數(shù)值超過了系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)警值，說明帶式輸送機(jī)出現(xiàn)了異常，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警提示，情節(jié)嚴(yán)重的直接停止帶式輸送機(jī)運(yùn)行，等待故障排查工作。

4 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性，將其應(yīng)用于某煤礦服役中的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中，進(jìn)行為期3個(gè)月的跟蹤記錄。結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了帶式輸送機(jī)運(yùn)行的安全性。應(yīng)用結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)的引入，提高了帶式輸送機(jī)近8%的有效工作時(shí)間，故障排查時(shí)間降低近10%，節(jié)省1~2名運(yùn)行維護(hù)人員，減少了煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近80萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。