宋振海

（陽煤集團(tuán)機(jī)電動(dòng)力部，山西 陽泉045000）

引言

近年來隨著煤炭需求量的不斷增加，對皮帶運(yùn)輸機(jī)工作穩(wěn)定性要求越來越高，但是因皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送路線較長，中間環(huán)節(jié)極為復(fù)雜，運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、打滑、堆煤等故障，導(dǎo)致采煤工作停滯，嚴(yán)重制約了原煤開采產(chǎn)量的進(jìn)一步提升[1-3]。智能設(shè)備發(fā)展過程中在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，極大地提高了設(shè)備的自動(dòng)化、智能化的水平，減少了設(shè)備的人員投入，為設(shè)備的安全可靠工作提供了重要保障[4-5]。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

皮帶運(yùn)輸機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)核心控制部件采用的是PLC，控制方式以遠(yuǎn)程監(jiān)控為主，就地操作為輔，根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，完成了方案的設(shè)計(jì)，如圖1所示，主要包括操作層、控制層和設(shè)備層。在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以其常見的故障為基礎(chǔ)，選擇相應(yīng)的傳感器，完成數(shù)據(jù)的采集，如跑偏、速度、溫度等信號(hào)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至PLC控制分站，之后PLC主站借助以太網(wǎng)完成與控制分站和上位機(jī)的通信。相關(guān)工作人員能夠通過人機(jī)交互界面監(jiān)測各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)變化、實(shí)時(shí)曲線以及故障信息等，也可以對指定的設(shè)備發(fā)送控制指令，完成控制指令的傳輸，實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)層次，即地面控制層、井下控制層和受控設(shè)備層，如圖2所示。地面設(shè)有遠(yuǎn)程控制室，包括上位機(jī)、控制主站等，上位機(jī)與控制主站之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信?？刂浦髡局略O(shè)置3個(gè)控制分站，分別控制3臺(tái)皮帶運(yùn)輸機(jī)，完成傳感器采集數(shù)據(jù)的整合與處理。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制主站

系統(tǒng)中控制主站采用S7-300型號(hào)的PLC，因控制主站與分站、上位機(jī)之間采用的是以太網(wǎng)進(jìn)行通信，故主站不需要配置擴(kuò)展輸入和輸出模塊，僅需完成CPU模塊和電源模塊的設(shè)計(jì)。CPU的型號(hào)為315-2PN/DP，供電電源為24 V DC，具有以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的PROFINET接口。電源模塊型號(hào)為PS30710A，其能夠?qū)⒆儔浩鬏敵龆说腁C 127 V/220 V電壓，經(jīng)整流壓變得到DC 24 V，為在線監(jiān)測系統(tǒng)供電。

2.2 上位機(jī)

上位機(jī)通過以太網(wǎng)與控制主站完成數(shù)據(jù)傳輸，并將相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員對于皮帶運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，也可以對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。計(jì)算機(jī)采用的是美國工業(yè)計(jì)算機(jī)，型號(hào)為DELL755DF。為了保證系統(tǒng)能夠不間斷工作，增加了UPS電源，不斷電的情況下其相當(dāng)于導(dǎo)線，在系統(tǒng)斷電時(shí)被激活，為系統(tǒng)提供電能，避免計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)丟失以及PLC器件的損毀。UPS電源的輸入電壓為220 V（50 Hz），輸出電壓為AC 220 V，輸出功率為6 kVA。

2.3 控制分站

系統(tǒng)控制分站主要包括CPU、電源模塊、I/O模塊，選擇型號(hào)為315-2PN/DP的CPU，配置PS30710A電源模塊，提供DC24V電源，為CPU的正常工作提供保障。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊分別選擇型號(hào)為SM331和SM322模塊，前者包括8個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，電源電壓為24V，模擬量電壓輸入范圍為0～+10V，電流輸入為0～20 mA，后者擁有32個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，輸入電壓為直流24 V，輸入電流為110 mA，功耗為6.6 W。

2.4 傳感器

在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來源于傳感器，包括速度傳感器、跑偏傳感器、撕裂傳感器、堆煤傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，為了保證傳感器能夠在煤礦井下可靠工作，其選型至關(guān)重要。

皮帶運(yùn)輸機(jī)跑偏信息數(shù)據(jù)采集選擇型號(hào)為GEJ-30的傳感器，安裝于滾筒皮帶旁邊或者兩側(cè)的固定架上，位移桿垂直于皮帶表面，皮帶跑偏時(shí)碰觸位移桿，當(dāng)跑偏量超過一定值時(shí)立即報(bào)警。速度信息數(shù)據(jù)采集采用的是運(yùn)放LM358電壓比較器電路完成皮帶運(yùn)輸機(jī)滾輪轉(zhuǎn)速的檢測，當(dāng)驅(qū)動(dòng)滾輪速度大于從動(dòng)滾輪速度一定值時(shí)，認(rèn)為皮帶出現(xiàn)了打滑。皮帶堆煤量的檢測采用型號(hào)為GUJ30的傳感器，防止出現(xiàn)煤炭的過量堆積損毀皮帶。煤倉物位數(shù)據(jù)信息采集選用型號(hào)為GUJ50的傳感器，用于檢測煤倉內(nèi)物料的高度。皮帶撕裂信息的采集選擇型號(hào)為GVC20的傳感器，一般安裝在皮帶機(jī)的下方，皮帶無故障時(shí)傳感器正常斷開，出現(xiàn)故障時(shí)，傳感器接通報(bào)警，接線方式如圖3所示。溫度信號(hào)數(shù)據(jù)的檢測選擇型號(hào)為DS18B20的傳感器，主要檢測皮帶滾輪的溫度，避免因其溫度過高導(dǎo)致火災(zāi)，必要時(shí)可以自動(dòng)開啟噴水裝置，接線如圖4所示。同時(shí)還配置了煙霧傳感器和電子皮帶秤選擇傳感器。

圖3 撕裂傳感器接線圖

圖4 溫度傳感器接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

在線監(jiān)測系統(tǒng)啟動(dòng)之后CPU將會(huì)循環(huán)執(zhí)行主程序OB1，通過運(yùn)行主程序調(diào)用其他的邏輯功能模塊，以實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測功能。主程序就是對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、故障診斷三個(gè)模塊進(jìn)行集成編寫，其具體的程序如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序

3.2 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)模擬量選擇的是4～20 mA電流信號(hào)，更有利于抑制井下環(huán)境的信號(hào)干擾。數(shù)據(jù)采集過程中，傳感器輸出的模擬量信號(hào)優(yōu)先接入由線性光耦HCNR200組成的光電隔離電路中，之后進(jìn)入PLC的數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)將傳感器采集得到的轉(zhuǎn)速、溫度、電流等信息轉(zhuǎn)化成4～20 mA的數(shù)字量，顯示在上位機(jī)的人機(jī)交互界面，供操作人員觀察并做出相應(yīng)的指令控制。

3.3 故障診斷

系統(tǒng)故障診斷功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于傳感器，通過循環(huán)檢測故障信號(hào)的模式，完成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中溫度、煙霧、堆煤、跑偏、撕裂、打滑、急停等故障的判斷。當(dāng)檢測得到皮帶溫度過高或者起煙等故障時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)灑水裝置；當(dāng)檢測得到皮帶跑偏、撕裂、堆煤等故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，進(jìn)行停機(jī)處理。具體的故障診斷程序流程如圖6所示。

圖6 故障診斷程序

3.4 上位機(jī)

系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)采用MCGS組態(tài)軟件，能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能和現(xiàn)場操作需要完成界面的設(shè)計(jì)。主界面作為操作人員頻繁使用的界面，能夠快速完成模式選擇、啟動(dòng)方式、設(shè)備控制等功能的選擇。皮帶機(jī)運(yùn)行過程中能夠觀察動(dòng)畫工藝流程，了解設(shè)備運(yùn)行情況，當(dāng)皮帶機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠顯示故障位置及其可能的原因。當(dāng)工作人員想要知道皮帶機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警詳情、參數(shù)設(shè)定等情況，可以通過主界面進(jìn)行界面切換，如圖7給出了皮帶運(yùn)輸機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的主界面。

圖7 上位機(jī)主界面

4 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證皮帶運(yùn)輸機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某煤礦主井皮帶運(yùn)輸機(jī)并對其進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄。結(jié)果表明，在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足皮帶運(yùn)輸機(jī)對于在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)應(yīng)用過程中成功監(jiān)測得到皮帶跑偏故障8起、堆煤故障2起、溫度過高1起，均在人機(jī)交互界面進(jìn)行了顯示，給出了對應(yīng)的預(yù)警信號(hào)，避免了故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，在監(jiān)測系統(tǒng)的指示下很快確定了故障位置，及時(shí)排除了故障。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計(jì)，該系統(tǒng)的投入使用，皮帶運(yùn)輸機(jī)的人員投入成本降低約32萬元/a，故障排除效率提升近30%，煤炭開采產(chǎn)量提升近15%，直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近200萬元/a，取得了很好的應(yīng)用效果。