礦用帶式輸送機運行監控系統的應用研究

喬 怡

（晉能控股裝備制造集團機電裝備科大機械有限公司，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機作為煤炭生產作業的關鍵輸送設備，其工作的可靠性不僅關系著井下礦工的安全，還與煤炭行業的產煤效率息息相關，必須引起高度重視[1-4]。皮帶輸送機常見的故障包括跑偏、煙霧、打滑等，一旦出現故障將會導致設備停機，嚴重的將會導致事故。遠程監控系統近年來在各個領域應用較多，取得了較好的效果，得到了各方面的認可[5-6]。因此，基于某煤礦企業帶式輸送機控制系統，設計監控系統實時監控帶式輸送機的運行狀況，對于提高帶式輸送機的運行安全性具有重要的意義。

1 皮帶輸送機的組成結構及工作原理

帶式輸送機煤炭遠距離輸送功能的實現依賴于其自身的結構組成，主要包括框架、輸送帶、驅動裝置、滾筒、張緊裝置等，驅動裝置主要構成包括電動機、聯軸器、減速器、制動器等。整個帶式輸送機工作過程原理如下：輸送帶運轉的驅動力來源于驅動裝置，驅動滾筒、托輥和轉向滾筒支撐皮帶連續運轉，為了保證皮帶具有足夠的輸送動力，設計張緊裝置以便及時調整帶式輸送機皮帶的松緊度，確保皮帶獲得足夠的摩擦驅動力，推動煤炭遠距離輸送，完成煤炭井下至地面的輸送工作。

2 系統方案

基于某型號帶式輸送機完成了監控系統方案的設計，如圖1所示。由圖1可以看出監控系統涉及井下和地面兩部分，二者之間通過以太網連接，井下部分設置了三個監測分站，各個分站系統的控制核心部件采用PLC實現。為了提高監控系統的安全性，隔離箱具有防爆礦用隔爆兼本質安全性能，確保監控系統工作過程中的安全和可靠，地面部分主要由上位機組成，用于實時顯示帶式輸送機的運行狀態。

圖1 監控系統總體方案

3 系統詳細設計

3.1 硬件設計

3.1.1 PLC控制器

PLC作為監控系統的控制核心，其工作的可靠性至關重要。本系統選擇西門子S7-200系列CPU226的PLC，是專門用于工業環境下的數字控制系統的裝置，能夠實時完成信號數據的采集、處理等功能。PLC的主要組成包括中央處理器、存儲器、輸入/輸出模塊等，PLC的組成結構如下頁圖2所示。中央處理器主要完成數據運算處理，協調控制系統內部的運算工作；存儲器用于數據的存儲，包括ROM和RAM兩部分；輸入/輸出模塊用于連接PLC和系統采集的運行數據，實現數據的實時采集和遠程控制；電源模塊主要為PLC內部各個單元電路供電。

圖2 PLC結構組成

3.1.2 數字量模塊

監控系統選用的S7-200系列的PLC中包括8路數字量擴展模塊，涉及擴展輸入EM221和擴展輸出EM222，配置了多種I/O接口。為了保證系統的可擴展性，系統設計的I/O接口采取了10%~15%的冗余，以備后用。PLC系統I/O接口需要的數量根據實際生產需要進行配置，如連接跑偏傳感器、煙霧傳感器等采集得到的數字量數據。

3.1.3 模擬量模塊

監控系統數據采集得到的傳感器信號多為模擬量，為了將其轉化成PLC能夠識別的數字量，需要模擬量模塊進行數模轉化，實現模擬量轉換為0~5 V電壓信號或4~20 mA電流信號，供PLC進行數據處理。根據帶式輸送機監控系統實際需求，模擬量模塊需要配置24個振動檢測接口、4個溫度監測接口，分別連接對應的振動傳感器和溫度傳感器。采用1個4路EM231模擬量輸入模塊采集溫度信號，獲得4~20 mA電流信號，采用3個8路EM231模擬量輸入模塊采集振動信號，獲得4~20 mA電流信號。

3.1.4 通信模塊

帶式輸送機數據采集與通訊使用了現場總線與工業以太網相結合的形式實現，工業交換機采用1 000 M的光纖環網，由環網接收各個子系統采集得到的狀態信息并發送控制指令，達到數據傳輸的目的。由于煤炭井下環境較為復雜、傳輸距離較長，數據信號強度難以保障，系統使用串口端和光纖收發器接入工業交換機。與此同時，系統通訊系統采用了屏蔽電纜，完成井下采集數據至井上PLC的傳輸，之后經過PLC數據處理之后顯示于上位機供監控人員及時獲取帶式輸送機的實時運行狀態。具體數據傳輸流程如圖3所示。

圖3 數據傳輸流程

3.2 軟件設計

3.2.1主程序

基于帶式輸送機監控系統硬件結構組成，完成了軟件設計工作，監測流程如圖4所示。系統將模擬量輸入信號轉化為PLC識別的數字量信號，經過數據分析處理獲取帶式輸送機的實時運行參數。系統通過分析帶式輸送機運行參數實測值與預先設定的預警值進行對比，通過判斷兩者之間的大小關系確定帶式輸送機是否正常工作。當帶式輸送機實時監測參數數值未超過設定預警數值時，說明帶式輸送機運行正常；當監測參數數值超出了預警數值，說明帶式輸送機運行出現了故障，系統會自動停止帶式輸送機工作，等待故障排查和處理。

圖4 系統監測流程

3.2.2 模數轉換程序設計

監控系統所使用的振動和溫度等傳感器輸出的均為電流信號，PLC能夠識別處理的為數字量信號，傳感器輸出的模擬量均為4~20 mA電流信號，故而模擬量采集得到的模擬量信號需要經過A/D轉換模塊之后才能與PLC進行信息交互，由EM231進行數字量和模擬量之間的轉換之后實現帶式輸送機運行狀態的監測。

3.2.3 狀態監測設計

帶式輸送機監測系統所用的PLC能夠實現24路振動信號的采集，涉及電機前后軸、耦合器前后軸、減速器前后軸等各軸的振動，同時，也能采集4路溫度信號的采集，涉及電機前后軸瓦等。通過對比實時采集的運行狀態數值與系統預先設定的報警值，實現帶式輸送機運行狀態參數的反饋控制。

3.2.4 預警、報警設計

監控系統獲取帶式輸送機運行狀態參數之后比較分析實際狀態參數與設定預警值的差值，其中的開關量監測只需監測獲取開關量的狀態。當采集得到的實測數值超過了系統設定的預警值，說明帶式輸送機出現了異常，系統發出預警提示，情節嚴重的直接停止帶式輸送機運行，等待故障排查工作。

4 應用效果評價

為了驗證帶式輸送機運行時監控系統設計的合理性和實用性，將其應用于某煤礦服役中的帶式輸送機控制系統中，進行為期3個月的跟蹤記錄。結果表明，監控系統運行穩定可靠，提高了帶式輸送機運行的安全性。應用結果表明，監控系統的引入，提高了帶式輸送機近8%的有效工作時間，故障排查時間降低近10%，節省1~2名運行維護人員，減少了煤炭掘進成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近80萬元/年，取得了很好的應用效果。