張亞鵬

（山西焦煤霍州煤電集團河津騰暉煤業(yè)有限責任公司，山西運城 043300）

0 引言

皮帶機是可以連續(xù)作業(yè)的一種運輸設備，其優(yōu)勢在于距離長，運送的能力較強，費用低，方便進行遠程狀態(tài)監(jiān)測和集中自動化智能控制。在煤礦的生產(chǎn)中具有重要作用，它的運行狀態(tài)對煤礦企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益有著直接的影響。生產(chǎn)過程如果出現(xiàn)跑偏，堆煤及煙霧等故障，都會降低運輸能力，甚至是停產(chǎn)，從而造成比較嚴重的經(jīng)濟損失，甚至是毀壞設備，危及財產(chǎn)和生產(chǎn)等重大事故。

本文以國內某煤礦作背景開展研究，根據(jù)生產(chǎn)場地要求及井下作業(yè)狀況，把通信、計算機、傳感以及PLC等技術結合，設計研發(fā)一套可以對井下運行的皮帶機進行在線狀態(tài)實時監(jiān)測的系統(tǒng)[1]。

1 皮帶機相關系統(tǒng)特征和問題

1.1 皮帶機結構

皮帶機主要由輸送帶、托輥、機架以及驅動、清掃和保護及拉緊等裝置構成，如圖1所示。皮帶機出現(xiàn)故障的主要部位是驅動裝置，其主要功能是給皮帶提供動力牽引，使其運行正常。驅動裝置的主要構造包括電動機、減速機、聯(lián)軸器、液力器和制動器等。

皮帶機工作運行的原理：輸送帶纏繞滾筒傳動，滾筒改向，滾筒拉緊成環(huán)狀，拉緊裝置給皮帶機傳遞適合的張力，如果皮帶機運行正常，驅動裝置帶動滾筒，然后借助滾筒和輸送帶之間產(chǎn)生的摩擦力驅使皮帶機不間斷連續(xù)運行[2]。

1.2 存在問題及解決方向

（1）不平衡問題。在皮帶輸送機使用中出現(xiàn)轉子質量偏心及零部件損失。經(jīng)實踐總結發(fā)現(xiàn)，安裝及加工中的誤差或是不均的材質是造成轉子發(fā)生質量偏心的主要原因。

（2）不對中問題。皮帶機在運行中受到高載荷的影響，導致軸承與聯(lián)軸器以及傳動軸變形等。

（3）油膜振蕩問題。一般是受軸承滑動油膜所引發(fā)的自激性振動，在達到一定轉數(shù)值的時候，轉子會出現(xiàn)半速渦動，在轉速達到2倍以上時產(chǎn)生共振，表現(xiàn)出來的就是強振動現(xiàn)象。

皮帶輸送機在系統(tǒng)中存在的這些問題會導致跑偏、煙霧、速度不穩(wěn)定等故障，這些故障能夠通過檢測系統(tǒng)直觀清晰地監(jiān)測到。所以，對皮帶機運營過程的檢測，能夠預防事故發(fā)生，或在發(fā)生事故時及時準確地找到故障發(fā)生的部位及類型，并能夠在最快時間維修，從而有力地保障煤炭生產(chǎn)[3]。

2 皮帶傳輸機監(jiān)測系統(tǒng)設計及結構

2.1 檢測設計要求

要求能夠實現(xiàn)下面功能：（1）實時監(jiān)測設備生產(chǎn)運行功能；（2）異常情況預警及發(fā)現(xiàn)故障報警功能；（3）設備運行數(shù)據(jù)自動記憶記錄功能；（4）系統(tǒng)智能閱讀查詢功能；（5）設備故障快速診斷功能；（6）無線振動式傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

2.2 設計相關檢測功能結構

系統(tǒng)結構主要包括物理層、信息分析處理層和數(shù)據(jù)采集和傳輸層3個部分。

（1）物理層的主要構成包括振動、溫度以及保護設備傳感器。主要的功能是實現(xiàn)皮帶機各項現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的信息采集。

（2）數(shù)據(jù)的采集層和傳輸層指的是井下PLC分站，由PLC同觸摸屏構成。經(jīng)由PLC與擴展模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)狀況的監(jiān)測及數(shù)據(jù)的分析處理，嵌入式觸摸屏負責呈現(xiàn)監(jiān)測畫面并保持與上位機之間通訊[4]。

（3）信息分析處理層也就是上位機，主要負責對皮帶機實時狀態(tài)的顯示及信息記錄，查詢監(jiān)測歷史曲線和數(shù)據(jù)以及報表和報警等相關記錄，同時具備異常狀況預警和故障發(fā)生報警等功能。

該套監(jiān)測系統(tǒng)選用PLC控制和觸摸屏以及組態(tài)及通信等現(xiàn)代化技術，實現(xiàn)皮帶機井下運行狀況的可視化遠程監(jiān)測，組態(tài)系統(tǒng)界面直觀且操作方便[5]。

3 系統(tǒng)相關硬件結構設計

3.1 結構及其原理

（1）該套系統(tǒng)硬件重要的組成部分包括井下和地面兩部分構成，具體構成如圖2所示。這兩個部分是經(jīng)以太網(wǎng)進行連接的，井下狀況的監(jiān)測部分由3個分站構成，每個分站的核心都是由PLC控制器完成，主要結構一般分為安全型防暴隔離箱、礦用傳感器、觸摸屏以及PLC及擴展功能模塊等部分[6]。

圖2 硬件系統(tǒng)組成

（2）工作原理。各傳感器對皮帶機運行過程信息狀態(tài)進行采集，采集的信號傳送于PLC，PLC對這些信息進行運算、處理、判斷、分析，實時對皮帶機進行檢測，并且將各信息傳送于觸屏，由觸屏顯示出信息以供工作人員觀察，最后再由光纖傳送于地面上位機，最終達到遠程監(jiān)測功能。當傳感器傳輸數(shù)據(jù)大于預警值時，系統(tǒng)進行預警提示操作人員診斷。當數(shù)據(jù)大于報警時，設備停機維修。

3.2 PLC及模塊控制原理

PLC采用西門子S7-200，震動傳感器監(jiān)測點選在減速器主軸前后軸承處、耦合器主軸前后軸承處、電機主軸前后軸承處，共有6個檢測點，每個傳感器對水平X方向、垂直Y方向進行測量。系統(tǒng)需要24個傳感器，所以要用24路輸入的模擬量，需要3個8路西門子EM231模塊來實現(xiàn)[7]。

溫度傳感器測試點在電機主軸前后，每個采區(qū)有2個電機，所以要用4個傳感器及1個EM231模塊。

開關輸入為7個按鈕輸入、1個傳感器速度開關輸入、4個傳感器煙霧開關輸入、6個傳感器撕裂開關輸入、2個傳感器堆煤開關輸入、6個傳感器跑偏開關輸入。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 組態(tài)軟件MCGS相關設計

工控MCGS組態(tài)軟件能夠實現(xiàn)計算機快速搭建監(jiān)測系統(tǒng)，可以提供給用戶工程實際問題相關的設計方案及開發(fā)平臺，能實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)實時處理、安全報警機制、畫面顯示、報表輸出及流程控制等相關的功能。

4.2 相關PLC程序設計

系統(tǒng)選用S7-200西門子編程軟件，控制臺上安裝5個監(jiān)測控制按鈕，分別是顯示主界面、實時曲線、歷史報表和報警記錄的按鈕，還有輪詢按鈕等。操作人員就是通過操作這些功能按鈕來完成工作任務的。

（1）系統(tǒng)模數(shù)程序轉換

通過振動和溫度兩個傳感器輸出電流信號，PLC處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)必須是數(shù)字量，傳感器輸出的模擬信號大都是4～20 mA電流或者是0～5 V電壓，所以系統(tǒng)采集的信號一定要通過A/D進行轉換之后PLC才可以處理，經(jīng)由EM231完成模數(shù)的信息轉換，最終得出實際需要工程值[8]。

（2）系統(tǒng)預警及報警的相關設計

系統(tǒng)經(jīng)過對皮帶運輸機運行參量的實時監(jiān)測，經(jīng)過比較和分析實現(xiàn)預警及報警。當模擬量數(shù)值比預警值高時，表示系統(tǒng)出現(xiàn)異常，這時系統(tǒng)開始預警；當數(shù)值超出報警值時，系統(tǒng)就會通過聲光進行報警并同時停機，以便開展維修[9]。

（3）系統(tǒng)對狀態(tài)的監(jiān)測

將系統(tǒng)采集的參數(shù)值和預先設置好的預警及報警的值加以比較，若監(jiān)測參量沒有超過設定范圍，表示皮帶運輸機狀況良好；若超出預警及報警范圍值，表示皮帶運輸機工作異常。

5 結束語

本文根據(jù)PLC程序對皮帶機進行監(jiān)控，從而掌握了解運行的皮帶機使用狀態(tài)，預測、評價皮帶機使用的可靠性以及能夠預見可能發(fā)生的故障，并能夠對故障大小、部位、原因進行分析甄別，以及達到對故障發(fā)展進行預測，從而節(jié)約維修所用時間。系統(tǒng)能夠達到遠程監(jiān)控皮帶機運營可視管理，進而確保皮帶機穩(wěn)定、連續(xù)運行，提升了煤炭設備自動化、信息化的水平，從而為煤炭企業(yè)的發(fā)展提供了良好的動力。