矿用带式输送机智能监控系统设计与研究

宋 凯

(晋能控股集团 晋城煤炭事业部 长平公司，山西 晋城 048000)

0 引言

带式输送机作为煤矿原煤运输的主要设备，目前正朝着自动化、智能化方向不断发展[1-3]，目前国内大多数煤矿的皮带机监控系统停留在人工故障排查及结构简单、自动化程度低下阶段，不仅人力及设备成本耗费较大，而且无法对故障隐患点较多的长距离皮带机实现有效的监控，极易发生故障定位模糊、信息采集延时性大及误操作等问题，无法满足煤矿自动化建设需求。

针对以上问题，本文在传统矿用皮带机监控系统的基础上，通过多传感器融合技术对煤矿带式输送机的运行状态进行实时监测，可对传送带撕裂、跑偏、打滑、超温及电机、滚筒等主要部件的故障情况进行及时报警及诊断处理。同时系统采用主从PLC控制结构可有效提高系统控制精度及运行效率，通过工业以太网+RS485组合通信网络模式对监控数据进行实时快速传输，最大限度地提升带式输送机运行状态监测的全面性及实时性，从而有效保证煤矿带式输送机的安全、高效、自动化运行，对于提高煤矿运输系统智能化水平具有一定的促进作用。

1 监控系统方案确定及功能分析

1.1 监控系统方案选择

本监控系统的方案根据山西晋城某煤矿带式输送机系统的现场实际情况进行选择制定，首先需对该皮带机系统的故障频发点进行分析。

由于煤矿带式输送机长期处于高速及高运量的工作状态下，加之井下恶劣环境及人为因素的影响，该煤矿的皮带机运行易出现以下故障：

(1) 传送带撕裂。当发生机头堆煤或机尾原煤下落时，形状不规则的物料会扎破、划伤传送带，从而引起皮带机传送带纵向撕裂。

(2) 机头堆煤。当下部皮带机未能及时将上部皮带机机尾处原煤及时运走时，会造成煤炭堆积导致电机堵转。

(3) 传送带跑偏、打滑。受滚筒安装结构不良、传送带张力不足及滚筒磨损严重等影响，皮带机在运行过程中易发生传送带位置偏离、打滑故障，进而引起皮带撕裂、起火等事故。

(4) 传送带温度过高及烟雾产生。当发生皮带打滑等故障时，皮带与滚筒间较大的摩擦会导致传送带局部温度过高并产生烟雾，进而引发火灾等严重事故[4-6]。

(5) 皮带机主要电气及传动机构故障。带式输送机的驱动电机、减速器及滚筒等主要部件在运行过程中极易发生过热、漏油、齿轮及轴承磨损、松动甚至损坏等故障，导致皮带机无法正常工作。

1.2 监控系统基本功能

通过分析带式输送机易发生的故障，本系统的技术路线确定为传感器故障监测点数据实时采集、主从PLC配合控制、上位机智能化人机交互平台远程监控三部分。由于原皮带机系统的智能化程度较低，仅凭设备自带的仪表无法实现带式输送机的全面监控管理，根据现场监控需求，确定了系统需具备以下基本功能：

(1) 带式输送机运行状态实时监测。系统可对带式输送机带速、温度、电机及减速器振动量及电压电流等主要参数进行实时精确采集，并通过上位机交互界面实时监测。

(2) 故障预警诊断功能。系统可对带式输送机可能发生的传送带打滑、撕裂、跑偏及超温、堆煤、烟雾等故障进行及时报警并通过上位机对故障进行诊断分析及事件记录。

(3) 自动控制功能。系统可通过上位机及PLC控制变频器输出从而实现带式输送机软启动、自动启停张紧等控制功能。

(4) 智能化人机交互平台。系统可通过远程监控平台直观显示带式输送机各项运行状态并进行相应曲线实时绘制，同时具备数据分析管理、存储记录等功能。

2 带式输送机监控系统设计

在确定监控系统方案后，采用模块化架构对监控系统进行设计，将系统分为上位机监控平台、通信网络、PLC控制模块、变频驱动模块及运行参数采集模块五大部分，从而实现对皮带机的全方位监控、数据传输、远程控制及故障报警。带式输送机监控系统结构如图1所示。

图1 带式输送机监控系统总体结构图

由图1可知，上位机监控平台用于输送机运行状态远程监测显示及控制指令下达等功能的实现，带式输送机运行参数的采集由采集模块中的各类传感器完成，变频驱动模块主要由变频器组成，用于实现皮带机软启动及启停张紧控制。PLC控制模块用于运行参数上传及控制指令下达，为了进一步提高控制效果，系统采用主从PLC控制结构对多台输送机实现集中控制。系统上位机与主控PLC之间的通信采用工业以太网，主控PLC与各分站采用RS485总线通信方式[7]。

2.1 皮带机监控系统硬件设计

本系统的硬件设计主要集中于主从PLC控制站及运行参数采集模块中的各类传感器，上述两部分是实现系统功能的核心模块，对其进行合理的设计与选型至关重要。

综合考虑系统控制需求及经济性，本文选用S7-300可编程控制器作为本系统的主从控制站，主控芯片型号选用具有支持以太网协议的Profinet接口及RS485通信接口的315-2PN/DP紧凑型CPU，其丰富的通信接口可满足本系统的数据传输及通信需求。

运行参数采集模块可对带式输送机各类运行数据进行集中采集，其传感器的数量及类型需根据系统监测量及故障类型进行选择，如表1所示。

表1 运行参数采集模块传感器类型及型号选择

其中，GSD4的测速范围为0～8 m/s，基本误差及线性度误差均≤±2.5%FS，可满足本系统带速采集需求；GEJ30动作角度为30°±3°，触杆动作力为20 N～100 N，探杆转动极限角度≥70°，可对皮带跑偏位移进行有效监测；GWP200具备40 ℃、50 ℃、70 ℃三个温度档位，工作电压为DC 12 V～DC 24 V，可输出4 mA～20 mA标准电流信号；ZH-40134采用24位A/D采样，其电流量程为1 A～30 A AC，电压量程为10 V～450 V AC，频响范围为45 Hz～400 Hz。

2.2 皮带机监控系统软件设计

本文以组态王软件为基础对带式输送机智能监控系统软件进行设计，整个系统软件可分为数据采集子系统、显示交互子系统、自动控制子系统及用户数据管理子系统四部分。其中数据采集子系统负责输送机运行状态参数采集与上传；显示交互子系统主要为智能人机交互界面，可进行运输机运行模拟显示、工况参数显示、实时曲线显示及故障信号显示等；自动控制子系统主要负责运输机的电机及变频器远程控制，从而实现运输机软启动、自动启停张紧等操作；用户数据管理子系统主要负责数据存储、历史事件记录查询、用户登录注销等。带式输送机智能监控系统软件功能如图2所示。

图2 带式输送机智能监控系统软件功能图

3 监控系统试验与调试

本节在实际使用环境下搭建了测试系统，从而验证监控系统的各项关键功能及系统稳定性，系统实际运行测试结果如下：

(1) 通信功能测试结果：在对RS485通信程序进行测试和修改后，有效解决了系统通信失败、数据长传不完整问题。在连续15次的通信测试中，系统地址自动排序功能稳定，人机界面参数显示及刷新正常，未出现掉线现象。

(2) 监控功能测试结果：系统运行后上位机可实时显示皮带机带速、电机及减速器温度、皮带张紧力、电气设备电压电流等参数，测量误差均≤5%。通过上位机可实现对不同皮带机的单个远程控制、集中控制及就地控制。

(3) 故障报警定位功能测试结果：测试试验通过闭锁开关、信号发生器及直流电源分别模拟了不同信号量的跑偏、打滑、撕裂、堆煤、超温等故障，监控系统均可对不同类型的故障量进行快速响应和定位报警，系统故障响应时间<1 s，故障报警定位功能可靠性满足要求。

4 结束语

本文在传统带式输送机监控系统的基础上，采用主从PLC控制结构实现了对多台带式输送机的集中监控，进一步提高了系统的控制效果。同时采用工业以太网+RS485组合通信方式对系统通信网络进行架构，有效提高了数据传输效率及容量，实现了煤矿带式输送机运行状态远程智能监测及自动控制功能，对于提高煤矿自动化水平具有一定意义。