石礁玉

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司煤焦現(xiàn)代物流貿(mào)易分公司，山西 霍州 031412）

引言

煤炭需求量的不斷增大給傳統(tǒng)皮帶輸送機(jī)可靠性提出了更高要求，現(xiàn)已引起了煤炭企業(yè)的廣泛關(guān)注[1]。皮帶輸送機(jī)工作過程中具有運行平穩(wěn)、能耗低、輸送距離可控的優(yōu)勢，適合連續(xù)周轉(zhuǎn)輸送場合，滿足井下煤炭向地面輸送的要求[2-3]。由于煤炭井下工作環(huán)境較為惡劣，如煙霧、潮濕、瓦斯等，極不利于皮帶輸送機(jī)的長時間可靠工作，而且井下燈光暗淡，空間狹小，操作人員不能完全掌握其實際的運行情況，一旦出現(xiàn)故障輕則停機(jī)待修，重則釀成事故[4-6]。目前皮帶輸送機(jī)使用的控制系統(tǒng)較為落后，存在較多的不足，如保護(hù)系統(tǒng)缺失等，因此，針對煤炭企業(yè)服役皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)存在的不足，開展監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作與應(yīng)用研究工作具有重要意義。

1 系統(tǒng)要求

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于煤炭井下皮帶輸送機(jī)實時監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制，首先需要系統(tǒng)組件具有較高的防爆性能，確保系統(tǒng)工作是安全可靠的。其次是系統(tǒng)要有較好的兼容性，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計需要兼顧皮帶輸送機(jī)原來的控制系統(tǒng)，要求新系統(tǒng)和原系統(tǒng)能夠完美融合。還有就是具備實時監(jiān)控功能，能夠遠(yuǎn)程實時顯示皮帶輸送機(jī)的運行狀態(tài)和性能參數(shù)。最后故障保護(hù)功能，能夠提示故障位置及報警，為運維人員提供故障排查數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)方案

根據(jù)皮帶輸送機(jī)對于監(jiān)控系統(tǒng)的需求，完成了監(jiān)控系統(tǒng)方案的設(shè)計，如圖1 所示。由圖1 可以看出，皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機(jī)采用了PLC 控制器，上位機(jī)采用了工業(yè)用PC 機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中由各傳感器采集得到的皮帶輸送機(jī)實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至PLC 中進(jìn)行邏輯分析處理，處理完成之后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實時顯示，數(shù)據(jù)傳輸使用Modbus 實現(xiàn)。當(dāng)傳感器檢測得到皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)打滑、跑偏、撕裂等故障時，系統(tǒng)將會發(fā)出報警信號，提醒監(jiān)控人員及時了解皮帶輸送機(jī)的運行故障情況，啟動急停功能，確保井下作業(yè)人員的安全，將經(jīng)濟(jì)損失降到最低。與此同時，將故障數(shù)據(jù)傳送至PLC 控制器，進(jìn)行邏輯分析處理，上位機(jī)能夠?qū)⒐收项愋团c地址進(jìn)行顯示，供運行維護(hù)人員參考及時排除故障。

圖1 皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案

3 詳細(xì)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 傳感器選型

皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于各個傳感器，為了保證監(jiān)控人員能夠獲得較全面的皮帶輸送機(jī)實時運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計了皮帶運行速度傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、跑偏傳感器等。其中速度監(jiān)測選擇型號為GSD6 礦用本安型速度傳感器，溫度監(jiān)測選擇型號為PT100 的溫度傳感器，煙霧監(jiān)測選擇型號為GQQ0.1 的煙霧開關(guān)，跑偏監(jiān)測選擇型號為GEJ40 的礦用本質(zhì)安全型跑偏傳感器，縱向撕裂監(jiān)測選擇型號為GVD30 的膠帶縱向撕裂傳感器，同時配置GUJ50 型煤位傳感器和KGU3B 型堆煤開關(guān)。

3.1.2 攝像儀的選擇

皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置了攝像儀，選擇了型號為KBA127 的礦用隔爆兼本安型攝像儀，使用時能夠直接接入纜聯(lián)機(jī)，應(yīng)用方便快捷。攝像儀中的自動光圈鏡頭，具有較高的倍數(shù)，能夠錄制較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)物。視窗材料為玻璃，經(jīng)過納米技術(shù)處理，具有很好的透光率，同時不會吸附應(yīng)用環(huán)境中的水霧、油污、塵土等微顆粒物質(zhì)，能夠很好地適應(yīng)煤礦井下工作環(huán)境。工作過程中具有彩色、黑白自動轉(zhuǎn)換，亮度自動調(diào)整等功能，確保了拍攝畫面的清晰性，以供皮帶輸送機(jī)監(jiān)控人員更全面地掌握其運行狀態(tài)及環(huán)境情況。

3.1.3 保護(hù)系統(tǒng)

服役中的皮帶輸送機(jī)自帶的保護(hù)系統(tǒng)的抗背景噪聲能力很好，能夠滿足煤炭井下惡劣的工作環(huán)境要求，如爆炸氣體、煤塵、煙霧等。為了提高皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，完善了皮帶輸送機(jī)原有的保護(hù)系統(tǒng)，增設(shè)了集中監(jiān)控、張力調(diào)整、超溫噴水、制動、雙機(jī)拖動、開機(jī)預(yù)警等功能。與此同時，為了提高皮帶輸送機(jī)的故障排查效率，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時顯示故障位置及種類，發(fā)出報警語音，提醒監(jiān)控人員及時停機(jī)進(jìn)行故障處理，通過語音對講可以實現(xiàn)監(jiān)控室與現(xiàn)場操作工人之間的直接對話，以便做好運維人員的準(zhǔn)確調(diào)度。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 信號采集

監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸運用了Modbus 總線，具有交互性好、操作簡便、可擴(kuò)展等優(yōu)勢，與此同時，抗外界環(huán)境因素干擾的能力強(qiáng)，能夠保證信號的準(zhǔn)確性和可靠性?，F(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，還可以降低PLC 需要配置的輸入模塊，減少系統(tǒng)安裝調(diào)試時間，提高設(shè)計人員的工作效率。監(jiān)控系統(tǒng)PLC 型號為S7-200，自帶熱電偶模塊，具備溫度信號采集功能。其中皮帶張力、煙霧狀態(tài)、撕裂情況等模擬量較弱，干擾因素較多，直接進(jìn)行信號采集將會增加成本，因此，選擇先進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的數(shù)字量，能夠得到更好的信號采集效果。

3.2.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換

皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作時需要采集其運行過程中的溫度、帶速、張力、跑偏、煤高等實時數(shù)據(jù)，均為模擬量信號，除了溫度信號可以直接輸入PLC 邏輯控制器之外的其他信號需要經(jīng)過模擬量至數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，得到模擬量對應(yīng)的電壓或者電流等數(shù)字量，通過RS-485 串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，再次經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的模擬量并顯示于上位機(jī)供監(jiān)控人員監(jiān)察。當(dāng)監(jiān)控人員觀察得到某個參數(shù)存在偏離需要調(diào)整時，可以直接在上位機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號傳輸至井下皮帶輸送機(jī)PLC，實現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

3.2.3 主程序設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)主程序基于STEP7Micro WIN 平臺開發(fā)，采用模塊化設(shè)計思想，具備各功能模塊獨立又可以統(tǒng)一調(diào)用的功能。系統(tǒng)開啟先進(jìn)性初始化，隨著皮帶輸送機(jī)的運行，各傳感器開始采集數(shù)據(jù)并傳輸至PLC 進(jìn)行邏輯分析。當(dāng)采集數(shù)據(jù)超出預(yù)定范圍時，判斷異常立即報警，否則連續(xù)記錄運行數(shù)據(jù)并存儲。監(jiān)控系統(tǒng)主程序主要是協(xié)調(diào)調(diào)用各個子程序，如數(shù)/模轉(zhuǎn)換、啟?？刂?、操作模式等子程序，確保監(jiān)控系統(tǒng)的功能得以實現(xiàn)。主程序執(zhí)行過程如圖2 所示。

圖2 主程序執(zhí)行過程

3.3 人機(jī)交互界面

皮帶輸送機(jī)人機(jī)交互界面又稱監(jiān)控系統(tǒng)界面，是實現(xiàn)井下皮帶輸送機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)控和在線調(diào)整的窗口，采用MCGS6.2 通用版軟件對其進(jìn)行設(shè)計。圖3 所示給出了皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主界面，圖中顯示了井下三號線皮帶輸送機(jī)實時運行監(jiān)控情況，監(jiān)控界面中顯示了三條皮帶輸送機(jī)的實時運行狀態(tài)、各個運行參數(shù)數(shù)值、傳感器采集數(shù)據(jù)等，同時顯示了皮帶輸送機(jī)運行動畫。系統(tǒng)實時顯示的同時還能查詢歷史數(shù)據(jù)，為皮帶輸送機(jī)運維人員提供實用可靠的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)其更好的開展運維工作。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實用性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役的皮帶輸送機(jī)運輸系統(tǒng)進(jìn)行試運行，對其進(jìn)行為期半年的跟蹤記錄。結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足皮帶輸送機(jī)在線監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制的要求。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于原控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)的引用提高了皮帶輸送機(jī)運行的可靠性，降低了近12%的皮帶輸送機(jī)故障排查時間，節(jié)省了3～4 名設(shè)備運行維護(hù)人員，能夠?qū)崟r掌握皮帶運行狀態(tài)并適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，提高了近10%的皮帶輸送機(jī)有效工作時間，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100 萬元/年。