賈志鋒

(山西柳林鑫飛毛家莊煤業(yè)有限公司 ，山西 柳林 033300)

0 引言

綜采工作面運輸設(shè)備是井下大型綜采設(shè)備的重要組成部分之一，主要由運送原煤及作為采煤機移動軌道的刮板輸送機、對體積較大煤塊進行破碎的破碎機以及將破碎后煤塊運輸至皮帶運輸機的轉(zhuǎn)載機組成[1-3]。由于這些運輸設(shè)備的安全高效運行會對井下煤炭開采效率產(chǎn)生直接影響，因此通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)對運行中的綜采工作面運輸設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)采集和故障預(yù)警診斷對于降低綜采運輸設(shè)備故障率、提高煤炭輸送效率具有重要意義。由于國內(nèi)針對綜采面運輸設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)研究起步較晚，多數(shù)中小型煤礦仍采用20世紀(jì)90年代空分制的監(jiān)控系統(tǒng)，智能化程度低下，監(jiān)測設(shè)備安裝與調(diào)試過程十分繁瑣。此外每次維護時都需要工作人員停機后在井下進行程序更新，工作量較大，需耗費大量人力資源[4，5]。同時由于監(jiān)測系統(tǒng)的每個監(jiān)測點都需要一根電纜進行數(shù)據(jù)傳輸，故可監(jiān)測的參數(shù)十分有限，且采集信號的實時性較差，抗干擾能力較弱，無法對多個運輸設(shè)備實施一體化的全面監(jiān)控和管理。國內(nèi)許多企業(yè)積極研發(fā)了各類監(jiān)測系統(tǒng)，例如采用Zigbee等無線信號傳輸方式實現(xiàn)運輸設(shè)備的遠程狀態(tài)監(jiān)測，但仍存在故障定位精確度不高、數(shù)據(jù)互聯(lián)性較差、系統(tǒng)功能單一等缺陷。針對上述問題，本文設(shè)計了一套以PLC為控制核心的煤礦綜采面運輸設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)刮板輸送機、破碎機及轉(zhuǎn)載機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與故障預(yù)警診斷，具有監(jiān)測功能較強、監(jiān)測量較全、通訊性能良好等優(yōu)點[6，7]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

綜采工作面運輸設(shè)備在井下較惡劣的工作環(huán)境中長期高負(fù)荷運行，設(shè)備內(nèi)部主要部件容易發(fā)生各類故障，本系統(tǒng)主要設(shè)有以下幾個狀態(tài)監(jiān)測點：針對減速器設(shè)有軸承溫度、油位、油溫等檢測點；針對電機設(shè)有電機繞組溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子軸溫度等監(jiān)測點；針對冷卻系統(tǒng)設(shè)有冷卻水壓力、水位、流量等監(jiān)測點。通過以上監(jiān)測點對運輸設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集并上傳至上位機實時顯示，可以更直觀地查看運輸設(shè)備是否處于健康運行狀態(tài)，確保運輸設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

根據(jù)上述對監(jiān)測點的設(shè)置，本文采用主從結(jié)構(gòu)對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行架構(gòu)，主要包括地面監(jiān)控層、井下監(jiān)測層和現(xiàn)場設(shè)備層，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面監(jiān)控層主要由上位機和服務(wù)器組成，用于各運輸設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)的動態(tài)顯示及故障預(yù)警；井下監(jiān)測層是該系統(tǒng)的核心部分，每個運輸設(shè)備的監(jiān)測點設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測分站，可對減速器、電動機、耦合器等主要部件進行實時狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)上傳，各分站的數(shù)據(jù)最終匯集至監(jiān)測主站實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度管理，并通過監(jiān)測主站與上位機進行數(shù)據(jù)交換；現(xiàn)場設(shè)備層主要包括安裝在運輸設(shè)備上的各類傳感器，用于實時采集設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件方案設(shè)計

該監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心選用S7-300可編程控制器，監(jiān)測主站的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主站PLC的CPU選用315-2PN/DP模塊，其內(nèi)部集成了多路數(shù)字量及模擬量輸入輸出模塊，可用于各類監(jiān)測信號、報警信號及控制信號的輸入輸出，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)；同時該CPU內(nèi)部具有3個以上RS485通訊接口，兼容Modbus及Profibus等井下常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。當(dāng)系統(tǒng)運行時，CPU通過內(nèi)部通訊模塊與人機界面進行數(shù)據(jù)交換，從而對各運輸設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時顯示及運行參數(shù)修改保存。除人機界面外，系統(tǒng)配備的無線遙控器可通過CPU的數(shù)字量接口對運輸設(shè)備進行遠程系統(tǒng)參數(shù)修改，無需通過防爆殼上的按鈕進行操作，整體安全性與便利性大大提高。

圖2 監(jiān)測主站硬件結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測從站對I/O接口特性的需求與監(jiān)測主站基本相同，由于需要對大量傳感器信號進行采集，因此從站對模擬量輸入點的需求較主站更多，標(biāo)準(zhǔn)配置下單個從站的模擬量輸入端的數(shù)量需≥10個，信號類型以4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號為主，監(jiān)測從站硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測從站硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3中，現(xiàn)場設(shè)備層的溫度、壓力、流量等各類傳感器用于就地采集運輸設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，傳感器的合理選型對于數(shù)據(jù)采集精確度至關(guān)重要。為了監(jiān)測減速器及電動機軸承、繞組等的溫度，本文選用PT100三線制鉑熱電阻作為溫度傳感器，其溫度測量范圍為-200 ℃～+850 ℃，精度選擇為A級±0.15 ℃，可滿足本系統(tǒng)需求。

根據(jù)對監(jiān)測對象油位與壓力的分析，減速器的油位通常不高于50 cm，壓力大約為4 kPa，因此本文選用PT20MS表壓型壓力變送器，其量程為0～0.1 MPa～10 MPa，測量精度為±0.5%，可滿足測量需求。

為了監(jiān)測減速器內(nèi)冷卻水流量，本文選用LWGY-FMT型渦輪流量計，適用的介質(zhì)黏度小于5×10-6m2/s，公稱壓力為1.6 MPa～2.5 MPa，所測量介質(zhì)溫度為-20 ℃～+120 ℃，可滿足本系統(tǒng)的監(jiān)測需求。

為了避免采煤機在運行途中與刮板輸送機的機頭或機尾相撞，需要對兩者距離進行準(zhǔn)確測量[8]。本文選用GJJ10型礦用激光測距傳感器，其測量范圍為0.5 m～10 m，測量誤差≤0.5%，測量分辨率為1 mm，還可根據(jù)紅外線設(shè)置各種參數(shù)。

3 軟件方案設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計包括監(jiān)測主站程序及監(jiān)測從站程序設(shè)計等，其中監(jiān)測主站程序在完成初始化后依次執(zhí)行與從站建立通訊并讀取相應(yīng)的測量值及預(yù)警值、與上位機進行通訊并實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，最終根據(jù)采集結(jié)果執(zhí)行人機交互子程序與預(yù)警判斷子程序，監(jiān)測主站主程序流程如圖4所示。

監(jiān)測從站程序在初始化完成后依次執(zhí)行監(jiān)測主站通訊建立、各傳感器所傳輸?shù)臄?shù)字量及模擬量的采集、與人機交互界面建立通訊并實時顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)及報警值，最后當(dāng)出現(xiàn)異常時執(zhí)行報警子程序進行報警。監(jiān)測從站主程序流程如圖5所示。

圖4 監(jiān)測主站主程序流程圖 圖5 監(jiān)測從站主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)煤礦綜采工作面運輸設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，以PLC為控制核心并結(jié)合傳感器及Modbus通訊技術(shù)，根據(jù)實際監(jiān)測需求開發(fā)了一套監(jiān)測數(shù)據(jù)全面、運行可靠性較高的綜采面運輸設(shè)備遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過主從站PLC控制單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對刮板輸送機、破碎機、轉(zhuǎn)載機等設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測以及故障報警，保證了運輸設(shè)備在遠程監(jiān)測情況下安全可靠運行。