煤礦綜采工作面運輸設備實時監測系統設計

賈志鋒

(山西柳林鑫飛毛家莊煤業有限公司 ，山西 柳林 033300)

0 引言

綜采工作面運輸設備是井下大型綜采設備的重要組成部分之一，主要由運送原煤及作為采煤機移動軌道的刮板輸送機、對體積較大煤塊進行破碎的破碎機以及將破碎后煤塊運輸至皮帶運輸機的轉載機組成[1-3]。由于這些運輸設備的安全高效運行會對井下煤炭開采效率產生直接影響，因此通過遠程監測系統對運行中的綜采工作面運輸設備進行實時數據采集和故障預警診斷對于降低綜采運輸設備故障率、提高煤炭輸送效率具有重要意義。由于國內針對綜采面運輸設備監測系統的相關研究起步較晚，多數中小型煤礦仍采用20世紀90年代空分制的監控系統，智能化程度低下，監測設備安裝與調試過程十分繁瑣。此外每次維護時都需要工作人員停機后在井下進行程序更新，工作量較大，需耗費大量人力資源[4，5]。同時由于監測系統的每個監測點都需要一根電纜進行數據傳輸，故可監測的參數十分有限，且采集信號的實時性較差，抗干擾能力較弱，無法對多個運輸設備實施一體化的全面監控和管理。國內許多企業積極研發了各類監測系統，例如采用Zigbee等無線信號傳輸方式實現運輸設備的遠程狀態監測，但仍存在故障定位精確度不高、數據互聯性較差、系統功能單一等缺陷。針對上述問題，本文設計了一套以PLC為控制核心的煤礦綜采面運輸設備智能監測系統，可實現刮板輸送機、破碎機及轉載機運行狀態的實時監測與故障預警診斷，具有監測功能較強、監測量較全、通訊性能良好等優點[6，7]。

1 系統總體方案設計

綜采工作面運輸設備在井下較惡劣的工作環境中長期高負荷運行，設備內部主要部件容易發生各類故障，本系統主要設有以下幾個狀態監測點：針對減速器設有軸承溫度、油位、油溫等檢測點；針對電機設有電機繞組溫度、轉速、轉子軸溫度等監測點；針對冷卻系統設有冷卻水壓力、水位、流量等監測點。通過以上監測點對運輸設備的運行狀態數據進行采集并上傳至上位機實時顯示，可以更直觀地查看運輸設備是否處于健康運行狀態，確保運輸設備的安全穩定運行。

根據上述對監測點的設置，本文采用主從結構對整個監測系統進行架構，主要包括地面監控層、井下監測層和現場設備層，系統整體結構如圖1所示。地面監控層主要由上位機和服務器組成，用于各運輸設備運行狀態參數的動態顯示及故障預警；井下監測層是該系統的核心部分，每個運輸設備的監測點設置了相應的監測分站，可對減速器、電動機、耦合器等主要部件進行實時狀態監測及數據上傳，各分站的數據最終匯集至監測主站實現統一調度管理，并通過監測主站與上位機進行數據交換；現場設備層主要包括安裝在運輸設備上的各類傳感器，用于實時采集設備運行狀態數據并上傳。

圖1 監測系統總體結構圖

2 硬件方案設計

該監測系統的控制核心選用S7-300可編程控制器，監測主站的硬件結構如圖2所示。主站PLC的CPU選用315-2PN/DP模塊，其內部集成了多路數字量及模擬量輸入輸出模塊，可用于各類監測信號、報警信號及控制信號的輸入輸出，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)；同時該CPU內部具有3個以上RS485通訊接口，兼容Modbus及Profibus等井下常用網絡協議。當系統運行時，CPU通過內部通訊模塊與人機界面進行數據交換，從而對各運輸設備的運行狀態進行實時顯示及運行參數修改保存。除人機界面外，系統配備的無線遙控器可通過CPU的數字量接口對運輸設備進行遠程系統參數修改，無需通過防爆殼上的按鈕進行操作，整體安全性與便利性大大提高。

圖2 監測主站硬件結構框圖

監測從站對I/O接口特性的需求與監測主站基本相同，由于需要對大量傳感器信號進行采集，因此從站對模擬量輸入點的需求較主站更多，標準配置下單個從站的模擬量輸入端的數量需≥10個，信號類型以4 mA～20 mA標準電流信號為主，監測從站硬件結構如圖3所示。

圖3 監測從站硬件結構框圖

圖3中，現場設備層的溫度、壓力、流量等各類傳感器用于就地采集運輸設備的運行狀態參數，傳感器的合理選型對于數據采集精確度至關重要。為了監測減速器及電動機軸承、繞組等的溫度，本文選用PT100三線制鉑熱電阻作為溫度傳感器，其溫度測量范圍為-200 ℃～+850 ℃，精度選擇為A級±0.15 ℃，可滿足本系統需求。

根據對監測對象油位與壓力的分析，減速器的油位通常不高于50 cm，壓力大約為4 kPa，因此本文選用PT20MS表壓型壓力變送器，其量程為0～0.1 MPa～10 MPa，測量精度為±0.5%，可滿足測量需求。

為了監測減速器內冷卻水流量，本文選用LWGY-FMT型渦輪流量計，適用的介質黏度小于5×10-6m2/s，公稱壓力為1.6 MPa～2.5 MPa，所測量介質溫度為-20 ℃～+120 ℃，可滿足本系統的監測需求。

為了避免采煤機在運行途中與刮板輸送機的機頭或機尾相撞，需要對兩者距離進行準確測量[8]。本文選用GJJ10型礦用激光測距傳感器，其測量范圍為0.5 m～10 m，測量誤差≤0.5%，測量分辨率為1 mm，還可根據紅外線設置各種參數。

3 軟件方案設計

監測系統程序設計包括監測主站程序及監測從站程序設計等，其中監測主站程序在完成初始化后依次執行與從站建立通訊并讀取相應的測量值及預警值、與上位機進行通訊并實現數據互傳，最終根據采集結果執行人機交互子程序與預警判斷子程序，監測主站主程序流程如圖4所示。

監測從站程序在初始化完成后依次執行監測主站通訊建立、各傳感器所傳輸的數字量及模擬量的采集、與人機交互界面建立通訊并實時顯示狀態數據及報警值，最后當出現異常時執行報警子程序進行報警。監測從站主程序流程如圖5所示。

圖4 監測主站主程序流程圖 圖5 監測從站主程序流程圖

4 結束語

本文針對傳統煤礦綜采工作面運輸設備監測系統的缺陷，以PLC為控制核心并結合傳感器及Modbus通訊技術，根據實際監測需求開發了一套監測數據全面、運行可靠性較高的綜采面運輸設備遠程智能監測系統，通過主從站PLC控制單元結構實現了對刮板輸送機、破碎機、轉載機等設備運行狀態參數的實時監測以及故障報警，保證了運輸設備在遠程監測情況下安全可靠運行。