郭 濤

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

皮帶運輸機一直以來都是礦井運輸煤炭的重要機械設備，在煤礦開采過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是隨著工作面長度的增加，井下大都使用長距離皮帶機，而且井下工作環(huán)境復雜惡劣，加上皮帶機長期不間斷運輸煤炭，容易發(fā)生皮帶斷裂、皮帶縱向撕裂、皮帶打滑、皮帶跑偏等各類故障，煤炭容易發(fā)生撒料、堆煤，工作面容易發(fā)生火災事故。上述皮帶機的故障具有突發(fā)性，不但會影響皮帶機的使用壽命，而且還會影響煤礦的正常運營，工作面發(fā)生火災更是會威脅到工作人員的生命安全[1，2]。因此，對皮帶運輸機進行運行狀態(tài)監(jiān)測和保護，實現(xiàn)皮帶運輸機的“無人值守”具有重要的意義。為此，本文設計了一套基于PLC的皮帶運輸機運行狀態(tài)監(jiān)測與保護系統(tǒng)，可實現(xiàn)井下遠程監(jiān)控平臺、地面監(jiān)控中心對皮帶運輸機的實時狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障報警以及綜合保護功能。

1 皮帶運輸機日常故障類型分析

皮帶運輸機日常發(fā)生的故障及故障原因有[3]：①皮帶跑偏：皮帶跑偏故障發(fā)生占比較大，主要分為皮帶懸空于皮帶機支架上方和偏離皮帶機支架兩側兩種情況，皮帶跑偏如若不及時處理，則會導致煤炭撒料、堆積現(xiàn)象，而長時間的皮帶跑偏更會引起皮帶撕裂，縮短皮帶的使用壽命;②皮帶斷裂：當皮帶老化、磨損嚴重時，如若不及時處理，便會發(fā)生皮帶斷裂，皮帶斷裂常發(fā)生在皮帶機滾軸處和皮帶接口處;③皮帶機撒料：撒料分為兩種情況，一種是懸空撒料，另一種是皮帶跑偏造成的撒料;④皮帶打滑：當皮帶與轉軸無法同步轉動時，皮帶與轉軸間便會發(fā)生滑動摩擦情況，即為皮帶打滑，皮帶打滑多數(shù)是因為皮帶機的張緊裝置出現(xiàn)問題。

2 皮帶運輸機監(jiān)測與保護系統(tǒng)總體結構設計

圖1為皮帶機狀態(tài)監(jiān)測與保護系統(tǒng)的總體結構示意圖。整個系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡、井下現(xiàn)場上位機、PLC主控制器、CAN總線通信網(wǎng)絡、傳感監(jiān)測與保護單元等組成。其中，地面監(jiān)控中心由一主一備監(jiān)控電腦、防火墻、數(shù)據(jù)庫服務器、LED大屏幕等組成，負責將井下上傳的數(shù)據(jù)信息在LED大屏幕進行實時曲線、歷史曲線顯示以及視頻圖像顯示，同時具有在線數(shù)據(jù)存儲、報表生成、報表打印等功能；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡是系統(tǒng)的通信通道，可擴展性強；井下現(xiàn)場上位機、PLC主控制器負責對采集的信息進行數(shù)據(jù)轉換、智能分析和診斷處理，判別各種可能的故障類型，并由現(xiàn)場上位機通知現(xiàn)場工作人員；傳感器監(jiān)測與保護單元由礦用傳感器、保護開關、本安攝像機組成，負責對皮帶運輸機的運行狀態(tài)及環(huán)境狀況進行監(jiān)測，并通過CAN總線通信方式將采集數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器，同時執(zhí)行故障保護功能，當系統(tǒng)監(jiān)測到相應的故障時，將由開關執(zhí)行停機操作，同時采集皮帶機機頭、機尾的圖像信息，并利用光纖通信方式經(jīng)交換機傳輸至地面監(jiān)控中心。

圖1 皮帶運輸機監(jiān)測與保護系統(tǒng)總體結構示意圖

3 硬件部分方案設計與選型

3.1 井下主控制器選型

主控制器選用西門子S7-1200系列PLC。中央處理器單元選擇CPU1214C模塊；為了對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行轉換，采用了模擬量輸入模塊SM1231；同時采用數(shù)字量輸入輸出模塊SM1223，用于數(shù)字量的采集以及控制信號的輸出；通過以太網(wǎng)通信模塊CSM1277實現(xiàn)PLC主控制器與井下現(xiàn)場上位機之間的雙向傳輸[4]。

3.2 傳感監(jiān)測與保護方案設計與選型

本文搭建的傳感監(jiān)測與保護單元由各類礦用傳感器及傳感保護開關組成，以下對部分設備型號進行了具體選擇，同時對監(jiān)測安裝位置進行了設計：

(1) 速度傳感器：皮帶機中有兩處速度需要測量，一是驅動滾筒轉速，二是皮帶帶速。測量結果可用于皮帶斷帶、打滑、改向滾筒運轉不靈活等故障的診斷。將速度傳感器分別安裝于驅動滾筒軸上、改向滾筒軸上及機架上并置于皮帶下方。速度傳感器采用KGS2型傳感器。

(2) 振動傳感器：選用型號為CYT9200的一體化振動變送器，將其安裝在減速機的外殼上，通過監(jiān)測獲取來自減速機及驅動滾筒的振動信號。

(3) 溫度傳感器：選用PT100型溫度傳感器。溫度傳感器的安裝分兩種情況，一是將其安裝于皮帶機滾筒軸瓦、電機軸承、電機繞組上，以此來監(jiān)測皮帶機的部件溫度，用于故障判斷；二是將其安裝于巷道中，用于識別火災事故。

(4) 張力傳感器：選用Celtron STC系列拉力傳感器，將其安裝于皮帶機和拉緊裝置之間，用于皮帶斷帶故障的診斷。

(5) 縱撕開關：選用KPJ1A型縱撕開關，將其安裝于落料口處，用于診斷縱撕故障。

(6) 跑偏開關：選用KGE9A型跑偏開關，將其安裝于機頭、機尾及機身兩側。

(7) 煙霧開關：選用KGV1型煙霧開關，將其安裝于被保護處的下風口5 m～50 m內，各煙霧開關之間應保證50 m～100 m的間距。

(8) 堆煤開關：選用GUJ35型堆煤開關，將其安裝在皮帶搭接處，當皮帶運輸機發(fā)生堆煤時，堆煤開關動作，皮帶運輸機停止。

(9) 急停開關：選用KPG3型急停開關，將其以某一固定間隔在皮帶機長度方向安裝，用于重大故障時實現(xiàn)緊急停機。

(10) 本安攝像機：選用KBA4A型本安攝像儀，該型號設備體積小、故障率低、便于安裝維護，非常適合井下復雜惡劣的環(huán)境。拍攝的圖像可通過光纖通信方式直接上傳到地面監(jiān)控中心[5]。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件方案設計

4.1 下位機程序設計

系統(tǒng)主控制器為S7-1200系列PLC，采用其專用的博途V12系列編程軟件對系統(tǒng)進行下位機程序開發(fā)，采用模塊化設計思想按照依次監(jiān)測故障的流程編寫程序。根據(jù)皮帶機運行狀態(tài)監(jiān)測和保護要求，在軟件設計時系統(tǒng)應實現(xiàn)對皮帶機的工況監(jiān)測、故障診斷、故障報警、綜合保護等。系統(tǒng)下位機程序包括主程序、聲光報警程序、CAN總線通信程序、參數(shù)初始化子程序、系統(tǒng)保護子程序、傳感器數(shù)據(jù)采集子程序、停機信號子程序等。圖2為系統(tǒng)保護子程序的流程框圖。

圖2 系統(tǒng)保護子程序流程框圖

4.2 上位機監(jiān)控軟件設計

井下現(xiàn)場上位機監(jiān)控軟件基于MCGS組態(tài)軟件，采用模塊化設計風格，以較為形象的動畫及曲線的形式進行人機交互，具有很強的擴展性?，F(xiàn)場工作人員通過圖畫和曲線便可對皮帶運輸機的工況參數(shù)變化進行實時監(jiān)測，同時進行控制指令的發(fā)送。PLC與井下現(xiàn)場上位機之間通過以太網(wǎng)方式進行通信。上位機監(jiān)控軟件由系統(tǒng)菜單、主界面、采集數(shù)據(jù)顯示界面、故障診斷分析界面、報警窗口組成。圖3為軟件的界面組成框圖及具體實現(xiàn)功能。

圖3 軟件的界面組成框圖及具體實現(xiàn)功能

系統(tǒng)在主界面有報警條件設置一欄，若傳感器監(jiān)測設置不在所設定的閾值范圍之內，那么系統(tǒng)將啟動報警裝置，并進行相應的停機操作或者其他處理動作。

5 結論

針對皮帶運輸機在運輸過程中存在的各類故障，本文設計了一套基于PLC的皮帶運輸機運行狀態(tài)監(jiān)測與保護系統(tǒng)，通過各類礦用傳感器、傳感監(jiān)測保護開關、本安攝像機實現(xiàn)了對皮帶機全方位、全周期不間斷的動態(tài)監(jiān)管，通過監(jiān)測裝置之間的配合進一步完善了故障診斷功能，提高了皮帶機運輸?shù)男屎桶踩?，具有一定的參考價值和實際意義。