卓 兵

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200)

0 引 言

皮帶運(yùn)輸機(jī)利用滾筒摩擦力帶動皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，是煤炭開采過程中重要的運(yùn)輸設(shè)備，一旦發(fā)生故障導(dǎo)致停機(jī)，將會給煤礦帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)煤礦安全防護(hù)規(guī)程，皮帶運(yùn)輸機(jī)需要安裝防打滑、防跑偏、防堆煤、防縱向撕裂等保護(hù)裝置，以及需要具備急停閉鎖、張力調(diào)節(jié)、超溫灑水等功能。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對皮帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)，但是國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)存在系統(tǒng)功能少、自動化程度低、可靠性低與故障定位不準(zhǔn)確等問題，國外系統(tǒng)存在價格貴、系統(tǒng)兼容性差等問題。筆者結(jié)合礦山實(shí)際情況，基于嵌入式處理器，提出一種皮帶機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)集成狀態(tài)監(jiān)測、自動控制、故障診斷、軟起動等功能于一體，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)方便工作人員操作，提高皮帶運(yùn)輸?shù)淖詣踊c智能化水平的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)監(jiān)控需求及重點(diǎn)

系統(tǒng)通過采集皮帶運(yùn)輸機(jī)工況參數(shù)來實(shí)現(xiàn)自動控制與遠(yuǎn)程監(jiān)測，監(jiān)測量包括：皮帶運(yùn)行速度、實(shí)時張緊力，滾筒溫度與振動，電機(jī)的電流、溫度與振動、減速器高速軸、中速軸與低速軸的溫度與振動信號、跑偏、縱向撕裂、堆煤與鹽霧傳感器的采集數(shù)據(jù)。控制量包括：軟起動回路、張緊回路、急停閉鎖回路等的控制開關(guān)，皮帶運(yùn)輸機(jī)灑水裝置的電磁閥開關(guān)等。

1.2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

皮帶運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計

系統(tǒng)包括上位機(jī)、處理器模塊、機(jī)頭下位機(jī)、機(jī)尾下位機(jī)及信號采集設(shè)備等。系統(tǒng)上位機(jī)安裝于地面，通過CAN總線的方式與處理器模塊通信，并與井下語音報警模塊、沿線管理模塊、井下配電模塊等進(jìn)行信息通訊。處理器模塊安裝于巷道調(diào)度室，采用STM32系列芯片，負(fù)責(zé)下位機(jī)信息的綜合處理及信息通訊。機(jī)尾下位機(jī)負(fù)責(zé)跑偏、撕裂傳感器數(shù)據(jù)的采集，機(jī)頭下位機(jī)負(fù)責(zé)溫度、帶速及煙霧等參數(shù)的采集，并控制變頻器驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的軟起動與遠(yuǎn)程控制。

1.3 系統(tǒng)整體功能

監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：自動控制功能，包括皮帶機(jī)軟起動、自動張緊、自動灑水等控制功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、就地控制、集中控制等多種控制方式；狀態(tài)監(jiān)測功能，滾筒溫度、皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度、張緊力、電機(jī)溫度及減速器溫度、電機(jī)電流等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測功能；故障定位功能，根據(jù)各類傳感器及保護(hù)裝置的監(jiān)測參數(shù)，對故障進(jìn)行定位；數(shù)據(jù)存儲功能，記錄設(shè)備實(shí)時工況參數(shù)、操作記錄等，并支持在線查詢功能；遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，通過地面上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程共享與控制；參數(shù)設(shè)置功能；通過系統(tǒng)可修改控制參數(shù)、故障參數(shù)、通信狀態(tài)等。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)下位機(jī)模塊設(shè)計

系統(tǒng)下位機(jī)分為機(jī)頭下位機(jī)與機(jī)尾下位機(jī)，其中機(jī)尾下位機(jī)主要檢測皮帶的跑偏與撕裂，機(jī)頭下位機(jī)負(fù)責(zé)檢測安裝位置附近的皮帶機(jī)工況參數(shù)，并對沿線的灑水裝置與急停開關(guān)等設(shè)備進(jìn)行控制，對皮帶機(jī)的驅(qū)動裝置變頻器進(jìn)行控制。機(jī)頭下位機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括電源轉(zhuǎn)換電路、急停開關(guān)電路、通信電路、信號采集電路及繼電控制電路等。

圖2 機(jī)頭下位機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳感器的選型及布置

傳感器裝置負(fù)責(zé)設(shè)備的參數(shù)采集，安裝位置、方式及環(huán)境都會對采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精度造成影響，筆者通過查閱資料、技術(shù)論證等，最終確定各傳感器的型號及布置方式。

速度傳感器用于檢測皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度，通過與速度閾值比較，判斷皮帶是否出現(xiàn)打滑或者超速。系統(tǒng)采用GSC6-SC型號速度傳感器，安裝于皮帶回程位置，滾輪與皮帶緊密相接。溫度傳感器用于檢測滾筒及其他設(shè)備的溫度，防止摩擦引起的火災(zāi)事故，系統(tǒng)采用KGW200H型紅外溫度傳感器，安裝于皮帶機(jī)機(jī)架，紅外探頭距離驅(qū)動滾筒200 mm左右。煙霧傳感器用于檢測電纜、煤炭等燃燒引起的煙霧，系統(tǒng)采用GQL0.1型煙霧傳感器，通常安裝于驅(qū)動滾筒的下風(fēng)口處。跑偏傳感器用于檢測皮帶運(yùn)行過程中的位置，防止偏向其中一側(cè)，系統(tǒng)采用GEJ-15型跑偏傳感器，主皮帶機(jī)安裝6個跑偏傳感器，分別安裝于機(jī)頭、中部與機(jī)尾的兩側(cè)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行控制流程

系統(tǒng)上電初始化后，會對各皮帶機(jī)沿線設(shè)備分配地址，循環(huán)檢測沿線設(shè)備是否故障。系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)進(jìn)行故障自檢，向張緊電機(jī)發(fā)送啟動信號，當(dāng)張緊力達(dá)到要求后，發(fā)送軟起動信號，軟起動回路發(fā)送反饋信號，上位機(jī)控制抱閘回路松閘，控制變頻器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，皮帶機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行過程中，檢測皮帶機(jī)的工況參數(shù)，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)及系統(tǒng)設(shè)定的報警閾值，對皮帶機(jī)的故障進(jìn)行監(jiān)測與診斷，并執(zhí)行相應(yīng)的報警程序、灑水程序及停機(jī)程序等。當(dāng)按下系統(tǒng)的停機(jī)開關(guān)后，驅(qū)動電機(jī)首先接到停機(jī)指令，帶速逐漸降低，抱閘回路控制電機(jī)進(jìn)行抱閘動作，最后張緊電機(jī)停轉(zhuǎn)。

3.2 系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計

系統(tǒng)人機(jī)界面采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，編寫相關(guān)通訊程序及數(shù)據(jù)庫程序，系統(tǒng)的主控界面設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主控界面設(shè)計

界面右上方顯示運(yùn)行時刻，左側(cè)的運(yùn)行模式包括就地控制、集中控制與檢修模式三種，檢修模式下關(guān)閉了各設(shè)備之間的聯(lián)鎖控制，可單獨(dú)對檢修設(shè)備進(jìn)行啟停操作。運(yùn)行模式下，可通過參數(shù)設(shè)置界面修改系統(tǒng)參數(shù)。通過右側(cè)數(shù)據(jù)可定位皮帶、通訊等故障發(fā)生的位置信息，方便快速檢修。左下方顯示主皮帶機(jī)的運(yùn)行工況，包括帶速、帶溫的實(shí)時數(shù)據(jù)，是否發(fā)生跑偏、撕裂、堆煤及打滑等故障，若發(fā)生故障，指示燈變?yōu)榧t色。右下方為軟起動系統(tǒng)、抱閘電機(jī)及張緊電機(jī)的控制按鈕及狀態(tài)顯示。除了主控界面，系統(tǒng)還包括急停、故障診斷、記錄、接線、參數(shù)設(shè)置及操作說明等界面。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)在應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備之前，經(jīng)過了一系列的調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)果證明：上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)時顯示皮帶運(yùn)行速度、張緊力、滾筒溫度及電流等工況參數(shù)，且顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差小于3%。當(dāng)發(fā)生跑偏、堆煤、打滑等故障時，可較快的診斷故障及定位，滿足皮帶機(jī)監(jiān)控需求。系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場設(shè)備后，經(jīng)過一系列現(xiàn)場試驗(yàn)表明：系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境下具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，通訊距離可達(dá)1 000 m，滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，系統(tǒng)自動化程度較高，故障定位準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)及沿線設(shè)備的綜合一體化控制，達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

針對煤礦主皮帶機(jī)設(shè)計了一種基于嵌入式處理器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)及沿線設(shè)備的監(jiān)控一體化，試驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)可靈敏的診斷出皮帶機(jī)的故障類型，實(shí)時顯示運(yùn)行參數(shù)，且誤差范圍較小，滿足皮帶機(jī)的監(jiān)控需求。

煤礦主皮帶機(jī)作為煤炭運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)水平及運(yùn)輸性能將很大的影響煤礦開采運(yùn)輸效率。目前，我國皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)電一體化技術(shù)不斷進(jìn)步，但在大型皮帶機(jī)的軟起動與制動技術(shù)上還存在一定差距，下一步應(yīng)當(dāng)提高電機(jī)功率平衡精度與軟起動的平穩(wěn)性，降低對元部件的沖擊，為煤礦生產(chǎn)提供高效、安全的技術(shù)保障。