張 斌

(山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053)

0 引言

皮帶運輸機作為井下原煤運輸最常用有效的重要設(shè)備，具有運輸路徑長、可靠性高、易于維護(hù)、可實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點[1]，其安全穩(wěn)定運行及智能化控制對于提高煤礦開采自動化及安全水平具有舉足輕重的影響。因此實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制運行中的皮帶運輸機對于井下安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。

目前國內(nèi)針對皮帶機所開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)大多存在著自動化水平較低、系統(tǒng)功能簡陋、可靠性較差等問題[2-4]。由于國內(nèi)針對皮帶運輸機的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)起步較晚，多數(shù)中小型煤礦仍以人工井下監(jiān)控為主，智能化程度低，需要大量人力，工作量較大，且井下工作環(huán)境惡劣，工作人員安全無法得到有效保障。同時皮帶機的運輸效率受人為因素影響較大，控制及監(jiān)測信號只能就地顯示，無法對多個皮帶機實施一體化的全面監(jiān)控和管理。針對上述問題，本文設(shè)計了一套以PLC為控制核心的皮帶運輸機遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，將皮帶機的工況監(jiān)測、運行參數(shù)設(shè)置、故障預(yù)測診斷、急停保護(hù)、自動張緊及啟停控制等功能集于一體，具有監(jiān)測功能較強、編程簡單、通訊性能良好和響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

皮帶運輸機在井下較惡劣的工作環(huán)境中長期高負(fù)荷運行，容易發(fā)生運輸帶打滑、跑偏、斷裂以及滾筒、電動機等關(guān)鍵部件故障等問題，因此確定監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的首要問題就是需要明確系統(tǒng)的監(jiān)測量。首先針對打滑問題，需要對皮帶機的運行速度進(jìn)行監(jiān)測[5]；針對溫度過高問題，需實時采集滾筒的溫度；對電機、減速器等主要部件需要實時監(jiān)測其電參數(shù)、振動、溫度等參數(shù)；皮帶跑偏、撕裂、煤堆積等問題則應(yīng)采用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行信號采集[6]。

根據(jù)上述對監(jiān)測需求的分析，本文采用集中-分布體系對整體系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，主要包括上位機操作層、下位機控制層和現(xiàn)場設(shè)備層，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。上位機操作層主要用于皮帶機運行狀態(tài)參數(shù)的顯示以及利用人機交互界面向運輸機下達(dá)操作命令，主要包括內(nèi)置監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)計算機、顯示器以及交換機[7]。下位機控制層主要用于安裝在皮帶機上各類傳感器信號的收集與上傳，并根據(jù)上位機指令對皮帶機進(jìn)行控制，主要包括主站PLC和三個從站PLC，每個從站PLC各控制一臺皮帶機，最終通過以太網(wǎng)與主站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制?，F(xiàn)場設(shè)備層主要包括安裝在皮帶機上的各類傳感器及變頻器等器件，用于皮帶機運行狀態(tài)及故障情況的數(shù)據(jù)采集上傳以及實現(xiàn)電機軟啟動等控制功能。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)運行時，首先由安裝在皮帶機上的各傳感器采集其運行時的參數(shù)信息，隨后各傳感器將收集到的各狀態(tài)量傳輸至相應(yīng)從站PLC的輸入單元，從站PLC通過以太網(wǎng)與主站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將運行數(shù)據(jù)實時上傳至上位機進(jìn)行反饋和顯示，最后由上位機對皮帶機進(jìn)行實時的參數(shù)監(jiān)測和控制。

2 硬件方案設(shè)計

該監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分主要包括4個主從站PLC及用于現(xiàn)場運行參數(shù)采集的各類傳感器，PLC與傳感器的合理選用是保證系統(tǒng)控制及采集參數(shù)可靠性的關(guān)鍵，因此需要進(jìn)行合理選型。系統(tǒng)控制核心選用S7-300可編程控制器，其中主站PLC的CPU模塊選用通用315-2PN/DP，其內(nèi)部集成了具有以太網(wǎng)協(xié)議的Profinet接口以及Profibus DP接口，與從站PLC通過以太網(wǎng)通訊時無需額外的擴展模塊即可實現(xiàn)，其電源模塊選用PS307 10A型，其額定輸出電流為10 A。從站PLC需要收集傳感器所采集的各類信號，因此除CPU及電源模塊外還需要模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)和SM332(AO)。

為了實時監(jiān)測皮帶機的運行速度，需要通過速度傳感器進(jìn)行相應(yīng)信號的采集來實現(xiàn)。選用KGX-S1型速度傳感器，當(dāng)其采集到傳送帶速度信號時會與其額定轉(zhuǎn)速對比并判斷是否發(fā)生超速或打滑。

跑偏是皮帶機工作中最易出現(xiàn)的一種故障，本系統(tǒng)采用GEJ30礦用本安型跑偏傳感器對皮帶機的偏移狀態(tài)信息進(jìn)行采集，其動作角度為(30±3)°，觸桿動作力為20 N～100 N，復(fù)位角度為15°，具有兩極動作、485通信及尋址功能，能夠可靠發(fā)送皮帶機的跑偏狀態(tài)及跑偏位置的地址信息。

為了防止運輸帶摩擦起火和設(shè)備因高溫受到損毀，選用GWD100型礦用溫度傳感器對皮帶輸送機表面及沿線設(shè)備的溫度進(jìn)行檢測。GWD100的溫度測量范圍為0～100 ℃，顯示及輸出誤差均≤3%，輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA電流信號，可滿足本系統(tǒng)需求。

為了檢測皮帶機機頭處是否存在堆煤現(xiàn)象，選用GUJ30堆煤傳感器對皮帶輸送機的煤位保護(hù)信號進(jìn)行檢測，其接點容量為DC 12 V/0.5 A，接點接觸電阻≤0.1 Ω，動作角度為30°±3°，探桿動作力≤9.8 N，可滿足本系統(tǒng)需求。

煙霧傳感器主要用于采集由運輸帶打滑、線路起火等原因所導(dǎo)致的煙霧信號，從而預(yù)防井下的火災(zāi)事故發(fā)生[8]。選用GQL0.1-Y型煙霧傳感器，其動作閾值為0.3 mg/m3，響應(yīng)時間≤60 s，其靈敏度和響應(yīng)速度都較為良好。

由于運輸帶占整個皮帶機成本的40%～50%左右，因此運輸帶撕裂是一種較為嚴(yán)重的故障，本系統(tǒng)采用GVD2000撕裂傳感器為皮帶機提供膠帶縱向撕裂保護(hù)，其動作質(zhì)量為(2000±200)g/100 cm2，工作電壓為DC 12 V，工作電流≤0.5 A，信號輸出類型為開關(guān)量信號，接線方式為二線制，需通過數(shù)字量隔離電路接入到從站PLC的DI模塊中，接線方式如圖2所示。

圖2 撕裂傳感器接線圖

3 軟件方案設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一是對皮帶機進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制，當(dāng)系統(tǒng)初始化并檢查無故障之后，首先對啟動方式進(jìn)行選擇，當(dāng)選擇自動控制方式時，由程序控制皮帶機按“逆煤流”方向進(jìn)行啟動，并按照皮帶機運行速度分配延時啟動時間，停機則按“順煤流”方向進(jìn)行。當(dāng)皮帶機在運行過程中發(fā)生故障時，則啟動故障停機處理，防止堆煤事故的發(fā)生，相應(yīng)啟動程序流程如圖3所示。

圖3 皮帶運輸機啟動流程圖

監(jiān)控系統(tǒng)的第二大功能就是實時監(jiān)測皮帶機運行過程中可能出現(xiàn)的打滑、堆煤、超溫、煙霧等故障，并根據(jù)故障的嚴(yán)重性發(fā)出相應(yīng)的控制指令進(jìn)行報警、停機、啟動灑水裝置等操作，實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備工況的自診斷功能，具體流程圖如圖4所示。

圖4 皮帶運輸機故障診斷程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)礦用皮帶運輸機監(jiān)控系統(tǒng)的不足，以PLC為控制核心結(jié)合以太網(wǎng)通信及傳感器技術(shù)，根據(jù)實際監(jiān)控需求設(shè)計了一套可靠性較高、功能較為全面的井下皮帶運輸機遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過主從站PLC控制單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對皮帶機的啟停調(diào)控和現(xiàn)場及工況參數(shù)的實時顯示和操控，可對煤炭運輸中發(fā)生的各類故障進(jìn)行及時的報警與處理，保證皮帶機在遠(yuǎn)程監(jiān)控情況下的可靠運轉(zhuǎn)。