李雅蘭

（晉能控股集團(tuán)同家梁礦，山西 大同 037000）

1 概況

同家梁礦位于大同煤田東南部，井田面積28.86 km2，主要為侏羅紀(jì)煤層，硫和灰分含量低，為優(yōu)質(zhì)煤層。礦井設(shè)計為立井多水平開拓方式，共布置六個井筒，煤炭開采主運(yùn)輸系統(tǒng)為軌道礦車和帶式輸送機(jī)串接混合運(yùn)輸方式，各盤區(qū)煤流通過穿層溜煤眼流入帶式輸送機(jī)到集中溜煤眼，后轉(zhuǎn)載底卸式礦車運(yùn)至底卸坑，通過主井帶式輸送機(jī)進(jìn)入主井煤倉后提升到地面。同家梁礦DSJ70 型帶式輸送機(jī)服役年限長，故障風(fēng)險高，簡單的啟停控制系統(tǒng)無法及時識別潛在故障，且一旦出現(xiàn)故障停機(jī)，定位故障類型和故障點(diǎn)難度較大。針對存在的問題，進(jìn)行帶式輸送機(jī)實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計。

2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)故障識別原理與總架構(gòu)設(shè)計

（1）故障識別原理

帶式輸送機(jī)打滑、跑偏、撕裂、托輥運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活、皮帶斷帶等故障都會直接體現(xiàn)在不同部位皮帶速度對比以及速度變化趨勢上[1]，輔助驅(qū)動滾筒和改向滾筒的轉(zhuǎn)速監(jiān)測能夠更好地識別出設(shè)備故障。采用編碼器進(jìn)行皮帶速度監(jiān)測，編碼器安裝位置如圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)皮帶速度監(jiān)測示意圖

圖中編碼器1～3 用來對皮帶不同位置壓帶輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測算，編碼器4 測量驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)速，編碼器5 測量改向滾筒的轉(zhuǎn)速，由下式進(jìn)行轉(zhuǎn)速與皮帶線速度的轉(zhuǎn)換[2]：

式中：v代表編碼器安裝處皮帶的線速度，m/s；D代表壓帶輪或滾筒的直徑，m；n代表編碼器監(jiān)測顯示的壓帶輪或滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

如通過各編碼器監(jiān)測計算出的皮帶線速度相等，則說明帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，無故障；反之，則表明帶式輸送機(jī)存在故障，然后根據(jù)安裝在輸送系統(tǒng)中的各類開關(guān)量傳感器進(jìn)一步定位故障類型，實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時自動診斷。

（2）系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)

帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測與顯示、故障核心參數(shù)值監(jiān)控、故障報警與連鎖動作、歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)查詢與打印等功能，總設(shè)計架構(gòu)如圖2。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集元件、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)顯示模塊以及輔助模塊構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集元件分為各類信號采集傳感器即溫度、張力、帶速、轉(zhuǎn)速和油壓傳感器；狀態(tài)監(jiān)測開關(guān)即堆煤、急停、跑偏、煙霧、撕裂和抱閘開關(guān)等；電量監(jiān)測電壓電流互感器等；故障報警與連鎖模塊的核心設(shè)備是PLC、通訊模塊以及其他擴(kuò)展模塊，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收、邏輯運(yùn)算、動作指令發(fā)出以及反饋信號接收等；狀態(tài)顯示模塊包括上位機(jī)以及就地顯示設(shè)備等；輔助模塊實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)化與傳輸、結(jié)果查詢與打印功能。

圖2 帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測硬件設(shè)計

（1）傳感器選型

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集依托各類模擬量傳感器和狀態(tài)監(jiān)測開關(guān)，選擇依據(jù)為數(shù)據(jù)采集精度和抗信號干擾能力以及安裝方式[3]，保證在井下工況下能夠長期穩(wěn)定準(zhǔn)確地采集相關(guān)數(shù)據(jù)。表1 列舉了帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要傳感器型號和信號輸出類別。

表1 傳感器與監(jiān)測開關(guān)型號匯總表

傳感器位置的選擇是系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測準(zhǔn)確的要素[4]，以跑偏開關(guān)為例，位置安裝圖如圖3。分別在機(jī)頭、機(jī)尾和兩側(cè)安裝，保持其與皮帶正常運(yùn)行狀態(tài)下間距35 mm，距離的選擇即考慮到避免系統(tǒng)對皮帶正常偏差導(dǎo)致的誤報警，又保證其在跑偏故障發(fā)生前期及時識別并報警。皮帶同側(cè)安裝的跑偏開關(guān)間距選擇2.5 m 以平衡系統(tǒng)成本與故障識別靈敏度。

圖3 KGE9A 型跑偏開關(guān)安裝示意圖

（2）PLC 相關(guān)模塊選型

選擇工業(yè)用西門子S7-200 型可編程控制器作為核心數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)信號監(jiān)測類型和數(shù)量，確定擴(kuò)展模塊[5]。系統(tǒng)共接入輸入模塊的模擬量8 路，分別是四個減速器上的振動傳感器和四臺稀油站上安裝的油壓傳感器[6]?？紤]到系統(tǒng)備用模塊，選擇三個EM231 模擬量擴(kuò)張模塊?？紤]到將來系統(tǒng)的升級及擴(kuò)展，CPU 擴(kuò)展模塊采用CPU226。

（3）硬件平臺搭建

系統(tǒng)硬件平臺搭建如圖4。本安型攝像設(shè)備實(shí)時采集帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部位畫面，通過交換機(jī)信號傳輸至監(jiān)控上位機(jī)，供監(jiān)控人員在線判斷輸送機(jī)狀態(tài)[7]。各類傳感器智能儀表采集狀態(tài)參數(shù)并輸出模擬量經(jīng)CPU226 上的RS-485 接口輸入到S7-200 可編程控制器，電子皮帶秤通過總線將數(shù)據(jù)輸入到PLC，轉(zhuǎn)速傳感器、油壓傳感器、振動傳感器直接與監(jiān)控柜中模擬量輸入模塊EM231 或者CPU226 上的數(shù)字量輸入端子相連。PLC 接收到這些狀態(tài)監(jiān)測信號后通過通訊模塊完成信號識別轉(zhuǎn)化后，按照設(shè)定的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)或故障類型，并執(zhí)行連鎖控制信號的發(fā)出。狀態(tài)監(jiān)測判斷結(jié)果以及報警或控制停機(jī)等邏輯控制結(jié)果通過交換機(jī)上傳到系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行顯示，同時上位機(jī)負(fù)責(zé)對監(jiān)控參數(shù)和判斷結(jié)果數(shù)據(jù)儲存，當(dāng)需要進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢時，還能根據(jù)存儲數(shù)據(jù)自動生成運(yùn)行狀態(tài)歷史曲線圖，并附帶打印功能[8]。

圖4 系統(tǒng)硬件平臺搭建示意圖

4 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測軟件設(shè)計

軟件設(shè)計中的主監(jiān)測模塊能夠?qū)⑾到y(tǒng)監(jiān)測的帶式輸送機(jī)狀態(tài)的全部參數(shù)顯示在系統(tǒng)上位機(jī)對應(yīng)界面中，上位機(jī)監(jiān)測界面主要包括了帶式輸送機(jī)狀態(tài)參數(shù)界面、運(yùn)行仿真界面、故障監(jiān)測報警界面以及歷史數(shù)據(jù)查詢界面等，界面各數(shù)據(jù)實(shí)時更新，監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)計閾值后，會自動跳轉(zhuǎn)報警界面，發(fā)出聲光報警，并啟動綜合保護(hù)程序。綜合保護(hù)邏輯控制流程如圖5。

圖5 系統(tǒng)綜合保護(hù)邏輯控制流程

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障時，首先進(jìn)行聲光報警，然后根據(jù)故障診斷結(jié)果的不同，有差別執(zhí)行連鎖控制程序：如果出現(xiàn)打滑、縱撕、嚴(yán)重跑偏以及堆煤等情況，系統(tǒng)會立即向帶式輸送機(jī)上游設(shè)備發(fā)出急停指令，對下游設(shè)備發(fā)出延時停機(jī)指令；如果系統(tǒng)監(jiān)測到出現(xiàn)斷帶故障，除了執(zhí)行上游設(shè)備急停與下游設(shè)備延時停機(jī)連鎖動作外，還會對斷帶處進(jìn)行圖像抓捕并顯示在上位機(jī)界面；如監(jiān)測到帶式輸送機(jī)工況環(huán)境溫度高，超出溫度設(shè)定閾值，則執(zhí)行灑水降溫指令，溫度下降后，停止灑水。

5 效果分析

為了對設(shè)計系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障信息識別與綜合保護(hù)等功能有效性進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了系統(tǒng)測試平臺，采用等比例縮小的帶式輸送機(jī)模型對監(jiān)控系統(tǒng)測試。帶式輸送機(jī)模型機(jī)上電后正常運(yùn)行，上位機(jī)組態(tài)界面中顯示設(shè)備運(yùn)行正常，各監(jiān)測參數(shù)均能顯示，且速度、溫度、振動等參數(shù)均未超過設(shè)定閾值，與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)基本相同。人為在皮帶壓帶輪上涂抹潤滑油，模擬皮帶長期拉伸下出現(xiàn)的打滑故障，系統(tǒng)故障報警，皮帶速度監(jiān)測值超出閾值低值，上位機(jī)故障診斷界面顯示診斷結(jié)果為打滑。診斷結(jié)果支撐程度顯示為98.10%，這是由于設(shè)計的故障診斷系統(tǒng)是通過多方位參數(shù)比對結(jié)果確定的，表明故障診斷系統(tǒng)有效、準(zhǔn)確，控制信號指令接收端接收到停機(jī)與延時停機(jī)信號。

6 結(jié)語

對同家梁煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中的DSJ80 型帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)皮帶速度、溫度、振動值、電流、電壓狀態(tài)參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，輸送機(jī)皮帶跑偏、打滑、堆煤、斷帶、高溫等故障實(shí)時診斷，故障發(fā)生時輸送系統(tǒng)的綜合連鎖動作保護(hù)等功能，提升了帶式輸送機(jī)運(yùn)行自動化和智能化。