礦用皮帶輸送機遠程監控系統的設計與研究

郝 浩

（晉能控股裝備制造集團華越機械有限公司奧倫膠帶分公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

現如今，國內現存的皮帶輸送機監控系統仍然面臨著自動化水平低、功能簡單、可靠性差等問題。同時，國內對皮帶輸送機監控技術的研究起步較晚，大部分中小煤礦還采用人工方式進行礦井監測，這種方式的自動化水平不高、勞動強度大、勞動成本高、工作環境差。另外，員工的安全也不能得到有效的保障[1]。并且，考慮到人為因素的影響，皮帶輸送機的傳動效率也受到了極大的干擾，現場只能進行實時控制和監控，無法實現多臺皮帶輸送機的綜合監控和管理。為了解決上述問題，本文設計了一種基于PLC 控制技術的礦用皮帶輸送機遠程監控系統，實現了對皮帶輸送機運行狀態的監控、參數設置、故障預測，以及保護、張力、啟停功能的集成。

1 系統總體方案設計

考慮到皮帶輸送機井下工作條件差，長時間高強度的作業，皮帶易出現打滑、跑偏、斷裂等故障[2]。首先，為了解決皮帶輸送機的打滑問題，必須對皮帶輸送機的運行速度進行實時監控；對于高溫問題，需要實時測量輥子的溫度；電機、減速器等關鍵部件的電氣、振動、溫度等參數也需要實時監控；皮帶跑偏、撕裂、積煤等問題需要通過相應的傳感器來實現。在對監控要求進行分析的基礎上，提出了一種基于集中-分布的系統結構（見圖1），它包含了上位機操作層、下位機控制層和現場設備層。計算機操作層主要是通過計算機、顯示器和交換機來顯示皮帶輸送機的工作狀態，通過人機接口對輸送機進行操作指令的顯示。下位機的控制部分主要是采集和上傳各種傳感信號，并根據上位機的指令實施控制。該控制部分的控制功能主要是通過一個主站PLC 以及三個從站PLC 來實現的，每個PLC 控制一個皮帶輸送機。最終，經由以太網以及主站PLC 之間的信息交互，實現了系統的協調控制。現場設備層主要由各種傳感器和變頻器組成，用于對皮帶輸送機的工作狀況和故障信息的收集及上傳，并實現電動機的軟啟動過程。

當系統工作時，首先，安裝在皮帶輸送機上的各傳感器獲取其工作時間的參數，各傳感器將采集到的狀態值發送給相應從站PLC 的輸入端口。從站PLC通過以太網與主站PLC 交換數據，并將運行數據上傳到上位機進行實時反饋顯示。最后，上位機對皮帶輸送機的參數進行實時監控和控制。

2 硬件方案設計

系統的關鍵部件主要由一個主站PLC、三個從站PLC 以及各種傳感器組成。PLC 和傳感器的選擇對系統控制和數據采集的可靠性起著至關重要的作用，因此必須要選擇合理的類型。本系統在設計的過程中采用了較為流行的S7-300 可編程控制器，采用通用315-2 PN/DP 作為主控制器，內置Profinet 和Profious DP，與從站PLC 之間通過以太網進行通信，不需要附加額外的擴展模塊。由于從站PLC 需對各種傳感器采集到的多種數據進行進一步處理，因此不但需要CPU、電源模塊，還需要模擬器、數字式輸入/輸出模塊，其中模擬器輸入模塊型號為SM321、輸出模塊型號為SM322；數字式輸入模塊型號為SM331、輸出模塊型號為SM332。

要想實時監測皮帶輸送機的速度，需要通過速度傳感器來獲取相應的數據。選擇KGX-S1 型轉速傳感器，在接收到輸送皮帶的速度信號時，通過與額定轉速的比較，可以判定有無超速、打滑現象。本系統采用GEJ30 型礦用位移傳感器，用于皮帶輸送機的數據采集，其偏移角為（30+3）°的工作角，接觸力為20～100 N，回程為15°，并具有485 通信和尋址功能，能準確監測皮帶輸送機的運行狀況和位置信息。

考慮到輸送帶的高溫運轉，可以采用GWD100礦用測溫儀，能夠避免因運輸皮帶的撞擊引起的火災或電器受到高溫損壞，對電氣設備外表和軌道線路進行檢查[3]。GWD100 滿足系列標準規定，在0～100 ℃的工作溫度范圍內，顯示電流和電壓偏差均低于3%，正常輸出電流范圍為4～20 mA。用來檢查皮帶輸送機機頭上是否有煤堆，并通過GUJ30 型煤堆感應器檢測煤位的變化情況。此傳感器的觸頭容量為12 V/0.5 A，接觸電阻小于0.1 Ω，接點角為（30±3）°，探頭工作力大于9.8 N，完全能夠滿足系統的需要。煙感傳感器是用于收集輸送帶滑動和線路火災產生的煙塵信號的一種傳感器，可以在一定程度上杜絕礦井火災的發生。該監控系統選擇的是GQL-0.1 Y 型感煙傳感器，其工作閾值為0.3 mg/m3，反應時間＜60 s，靈敏度和反應速度均較理想。

本文所采用的GVD2000 撕裂儀是為了防止膠帶上出現縱向撕裂現象，其工作質量是（2000+200）g/m，工作電壓為12 V，工作電流小于或等于0.5 A，信號輸出端采用斷路器，接線方式為雙線制，需要用DVD2000斷路器與從站PLC DI 模塊連接，具體的接線方式見圖2。

圖2 撕裂傳感器接線

3 軟件方案設計

當皮帶輸送機遠程監控系統需要工作時，在系統初始化確認沒有問題后，首先選擇啟動模式，選擇自動控制模式后，程序控制皮帶輸送機在與煤流相反的方向上啟動，并根據皮帶輸送機的運轉速度來分配延遲啟動時間；而在與煤流相同的方向上時，解除自動控制模式。如果皮帶運輸機運轉中出現故障，立即進行故障停機，以避免堆煤事故的發生，相應啟動程序流程如圖3 所示。

圖3 皮帶輸送機啟動流程

該監控系統的另一重要作用是對皮帶輸送機在使用過程中可能發生的打滑、堆煤、超溫、冒煙等故障進行實時監測，并按故障的嚴重性進行報警、停止、啟動噴灑等相關作業，實現設備狀態的自診斷。PLC 的軟件系統主要功能為控制系統的初始化工作、設備故障的自動檢測和控制系統的主程序管理等。然而，控制系統的主控制進度管理則包含許多子程序，內容主要涉及對輸入與輸出信息的管理、對控制模塊的選擇、對裝置的啟停管理、對裝置工作的速度管理和對自身故障的保護等。主程序的主要任務是對各個子程序之間的運行進行調節，以便于系統可以實現對數據的實時收集，再經由處理后將其反饋到地面的集控中心。此外，工作人員可以依照收集的參數信息對其進行調整與控制，來完成皮帶輸送機的遠程監控工作。

4 應用效果分析

基于山西某煤礦企業煤炭的生產需求，將井下皮帶輸送機的控制系統作了一系列的改進，完成了從總體方案到硬件系統，再到軟件系統的設計。為了驗證設計的控制系統的合理性及可靠性，將其應用到現有的皮帶輸送機當中。通過試驗結果可以發現，該控制系統不但可以穩定運行，還能完成對井下各個皮帶輸送機的集中控制和遠程監控。根據試驗結果統計，在使用該控制系統之后，皮帶輸送機不僅可以可靠地運行，還具備了速度調節的功能，與之前相比，可以節省大約1/10 的能源。此外，在設備的啟動過程中，也較原來有了更好的平穩性，并且該過程可以經由工作人員遠程操控，減少了2～3 名一線作業人員的派遣數量，為井下少人化發展作出了貢獻。該控制系統的應用還降低了煤炭開掘的成本，為煤炭企業增加了利潤，平均每年可增加100 萬元的直接經濟收益。

綜上，將本文研制的皮帶輸送機控制系統應用到煤礦企業中，在解決了該礦生產需求的同時，還解決了工作效率低、安全性能得不到保障以及能源消耗較高等問題，值得在該企業廣泛推廣。

5 結語

針對煤礦皮帶輸送機的傳統監控系統存在的問題，采用PLC 作為控制核心，將以太網通信和傳感技術相結合，設計了一種高可靠性、功能全面的礦用皮帶輸送機智能遠程監控系統，利用智能監控系統中PLC 控制單元的結構，實現了對皮帶輸送機啟動、現場及運行工況的實時顯示和控制調整，及時對運輸過程中的各種故障進行報警和處理，確保皮帶輸送機在遠程監控條件下安全可靠地運行。