李雅蘭

（晉能控股集團(tuán)同家梁礦，山西 大同 037000）

1 概況

同家梁礦位于大同煤田東南部，井田面積28.86 km2，主要為侏羅紀(jì)煤層，硫和灰分含量低，為優(yōu)質(zhì)煤層。礦井設(shè)計(jì)為立井多水平開拓方式，共布置六個(gè)井筒，煤炭開采主運(yùn)輸系統(tǒng)為軌道礦車和帶式輸送機(jī)串接混合運(yùn)輸方式，各盤區(qū)煤流通過穿層溜煤眼流入帶式輸送機(jī)到集中溜煤眼，后轉(zhuǎn)載底卸式礦車運(yùn)至底卸坑，通過主井帶式輸送機(jī)進(jìn)入主井煤倉后提升到地面。同家梁礦DSJ70 型帶式輸送機(jī)服役年限長，故障風(fēng)險(xiǎn)高，簡單的啟停控制系統(tǒng)無法及時(shí)識(shí)別潛在故障，且一旦出現(xiàn)故障停機(jī)，定位故障類型和故障點(diǎn)難度較大。針對(duì)存在的問題，進(jìn)行帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障識(shí)別原理與總架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）故障識(shí)別原理

帶式輸送機(jī)打滑、跑偏、撕裂、托輥運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活、皮帶斷帶等故障都會(huì)直接體現(xiàn)在不同部位皮帶速度對(duì)比以及速度變化趨勢(shì)上[1]，輔助驅(qū)動(dòng)滾筒和改向滾筒的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)能夠更好地識(shí)別出設(shè)備故障。采用編碼器進(jìn)行皮帶速度監(jiān)測(cè)，編碼器安裝位置如圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)皮帶速度監(jiān)測(cè)示意圖

圖中編碼器1～3 用來對(duì)皮帶不同位置壓帶輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)算，編碼器4 測(cè)量驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速，編碼器5 測(cè)量改向滾筒的轉(zhuǎn)速，由下式進(jìn)行轉(zhuǎn)速與皮帶線速度的轉(zhuǎn)換[2]：

式中：v代表編碼器安裝處皮帶的線速度，m/s；D代表壓帶輪或滾筒的直徑，m；n代表編碼器監(jiān)測(cè)顯示的壓帶輪或滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

如通過各編碼器監(jiān)測(cè)計(jì)算出的皮帶線速度相等，則說明帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，無故障；反之，則表明帶式輸送機(jī)存在故障，然后根據(jù)安裝在輸送系統(tǒng)中的各類開關(guān)量傳感器進(jìn)一步定位故障類型，實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時(shí)自動(dòng)診斷。

（2）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)與顯示、故障核心參數(shù)值監(jiān)控、故障報(bào)警與連鎖動(dòng)作、歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)查詢與打印等功能，總設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集元件、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)顯示模塊以及輔助模塊構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集元件分為各類信號(hào)采集傳感器即溫度、張力、帶速、轉(zhuǎn)速和油壓傳感器；狀態(tài)監(jiān)測(cè)開關(guān)即堆煤、急停、跑偏、煙霧、撕裂和抱閘開關(guān)等；電量監(jiān)測(cè)電壓電流互感器等；故障報(bào)警與連鎖模塊的核心設(shè)備是PLC、通訊模塊以及其他擴(kuò)展模塊，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收、邏輯運(yùn)算、動(dòng)作指令發(fā)出以及反饋信號(hào)接收等；狀態(tài)顯示模塊包括上位機(jī)以及就地顯示設(shè)備等；輔助模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)化與傳輸、結(jié)果查詢與打印功能。

圖2 帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

（1）傳感器選型

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集依托各類模擬量傳感器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)開關(guān)，選擇依據(jù)為數(shù)據(jù)采集精度和抗信號(hào)干擾能力以及安裝方式[3]，保證在井下工況下能夠長期穩(wěn)定準(zhǔn)確地采集相關(guān)數(shù)據(jù)。表1 列舉了帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要傳感器型號(hào)和信號(hào)輸出類別。

表1 傳感器與監(jiān)測(cè)開關(guān)型號(hào)匯總表

傳感器位置的選擇是系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確的要素[4]，以跑偏開關(guān)為例，位置安裝圖如圖3。分別在機(jī)頭、機(jī)尾和兩側(cè)安裝，保持其與皮帶正常運(yùn)行狀態(tài)下間距35 mm，距離的選擇即考慮到避免系統(tǒng)對(duì)皮帶正常偏差導(dǎo)致的誤報(bào)警，又保證其在跑偏故障發(fā)生前期及時(shí)識(shí)別并報(bào)警。皮帶同側(cè)安裝的跑偏開關(guān)間距選擇2.5 m 以平衡系統(tǒng)成本與故障識(shí)別靈敏度。

圖3 KGE9A 型跑偏開關(guān)安裝示意圖

（2）PLC 相關(guān)模塊選型

選擇工業(yè)用西門子S7-200 型可編程控制器作為核心數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)信號(hào)監(jiān)測(cè)類型和數(shù)量，確定擴(kuò)展模塊[5]。系統(tǒng)共接入輸入模塊的模擬量8 路，分別是四個(gè)減速器上的振動(dòng)傳感器和四臺(tái)稀油站上安裝的油壓傳感器[6]?？紤]到系統(tǒng)備用模塊，選擇三個(gè)EM231 模擬量擴(kuò)張模塊。考慮到將來系統(tǒng)的升級(jí)及擴(kuò)展，CPU 擴(kuò)展模塊采用CPU226。

（3）硬件平臺(tái)搭建

系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建如圖4。本安型攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部位畫面，通過交換機(jī)信號(hào)傳輸至監(jiān)控上位機(jī)，供監(jiān)控人員在線判斷輸送機(jī)狀態(tài)[7]。各類傳感器智能儀表采集狀態(tài)參數(shù)并輸出模擬量經(jīng)CPU226 上的RS-485 接口輸入到S7-200 可編程控制器，電子皮帶秤通過總線將數(shù)據(jù)輸入到PLC，轉(zhuǎn)速傳感器、油壓傳感器、振動(dòng)傳感器直接與監(jiān)控柜中模擬量輸入模塊EM231 或者CPU226 上的數(shù)字量輸入端子相連。PLC 接收到這些狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)后通過通訊模塊完成信號(hào)識(shí)別轉(zhuǎn)化后，按照設(shè)定的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)或故障類型，并執(zhí)行連鎖控制信號(hào)的發(fā)出。狀態(tài)監(jiān)測(cè)判斷結(jié)果以及報(bào)警或控制停機(jī)等邏輯控制結(jié)果通過交換機(jī)上傳到系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行顯示，同時(shí)上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控參數(shù)和判斷結(jié)果數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，當(dāng)需要進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢時(shí)，還能根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成運(yùn)行狀態(tài)歷史曲線圖，并附帶打印功能[8]。

圖4 系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建示意圖

4 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中的主監(jiān)測(cè)模塊能夠?qū)⑾到y(tǒng)監(jiān)測(cè)的帶式輸送機(jī)狀態(tài)的全部參數(shù)顯示在系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)應(yīng)界面中，上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面主要包括了帶式輸送機(jī)狀態(tài)參數(shù)界面、運(yùn)行仿真界面、故障監(jiān)測(cè)報(bào)警界面以及歷史數(shù)據(jù)查詢界面等，界面各數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過設(shè)計(jì)閾值后，會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)報(bào)警界面，發(fā)出聲光報(bào)警，并啟動(dòng)綜合保護(hù)程序。綜合保護(hù)邏輯控制流程如圖5。

圖5 系統(tǒng)綜合保護(hù)邏輯控制流程

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，首先進(jìn)行聲光報(bào)警，然后根據(jù)故障診斷結(jié)果的不同，有差別執(zhí)行連鎖控制程序：如果出現(xiàn)打滑、縱撕、嚴(yán)重跑偏以及堆煤等情況，系統(tǒng)會(huì)立即向帶式輸送機(jī)上游設(shè)備發(fā)出急停指令，對(duì)下游設(shè)備發(fā)出延時(shí)停機(jī)指令；如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到出現(xiàn)斷帶故障，除了執(zhí)行上游設(shè)備急停與下游設(shè)備延時(shí)停機(jī)連鎖動(dòng)作外，還會(huì)對(duì)斷帶處進(jìn)行圖像抓捕并顯示在上位機(jī)界面；如監(jiān)測(cè)到帶式輸送機(jī)工況環(huán)境溫度高，超出溫度設(shè)定閾值，則執(zhí)行灑水降溫指令，溫度下降后，停止灑水。

5 效果分析

為了對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障信息識(shí)別與綜合保護(hù)等功能有效性進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，采用等比例縮小的帶式輸送機(jī)模型對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試。帶式輸送機(jī)模型機(jī)上電后正常運(yùn)行，上位機(jī)組態(tài)界面中顯示設(shè)備運(yùn)行正常，各監(jiān)測(cè)參數(shù)均能顯示，且速度、溫度、振動(dòng)等參數(shù)均未超過設(shè)定閾值，與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)基本相同。人為在皮帶壓帶輪上涂抹潤滑油，模擬皮帶長期拉伸下出現(xiàn)的打滑故障，系統(tǒng)故障報(bào)警，皮帶速度監(jiān)測(cè)值超出閾值低值，上位機(jī)故障診斷界面顯示診斷結(jié)果為打滑。診斷結(jié)果支撐程度顯示為98.10%，這是由于設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)是通過多方位參數(shù)比對(duì)結(jié)果確定的，表明故障診斷系統(tǒng)有效、準(zhǔn)確，控制信號(hào)指令接收端接收到停機(jī)與延時(shí)停機(jī)信號(hào)。

6 結(jié)語

對(duì)同家梁煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中的DSJ80 型帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)皮帶速度、溫度、振動(dòng)值、電流、電壓狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輸送機(jī)皮帶跑偏、打滑、堆煤、斷帶、高溫等故障實(shí)時(shí)診斷，故障發(fā)生時(shí)輸送系統(tǒng)的綜合連鎖動(dòng)作保護(hù)等功能，提升了帶式輸送機(jī)運(yùn)行自動(dòng)化和智能化。