煤矿井下连续输送皮带在线监控系统设计

王新元

（霍州煤电集团三交河煤矿，山西 洪洞 041600）

带式输送机广泛应用在井下煤炭运输系统中，目前绝大多数矿井仍靠人力巡查带式输送机，输送机故障的预防、发现和处理不及时，不满足现场生产和安全的需要。为此，本文对矿井皮带机的在线远程监控系统进行了设计研究。

1 基于PLC的监控方式

PLC与计算机相结合，上位机、下位机与PLC之间相互联系[1，2]，在传感器的辅助下，及时采集井下带式输送机运行数据，处理带式输送机运行在线监测数据，编写计算机程序，开发PLC控制软件，计算机发出请求PLC通信的命令，此时PLC做出反应，自动与计算机通信。但煤矿井下传输距离远，需要建立各个分站，分站把收集到的数据汇总到总站。工业以太网被用于地面上位机的通信，两台上位机与地面网关实现互联互通。整个在线监控系统对皮带机输送机进行监控的结构网络如图1所示。

图1 带式输送机监控结构示意图

工业以太网能够使PLC主站、分站、防爆箱三者之间相互通信。每个控制设备配备了小型的光电交换机，其作用是把距离较远的控制设备联系起来。为避免局部设备出现故障或者出现断电，需要一个光纤连接的光电转化器，使设备之间两两构成通信环网，有助于增强正常设备稳定运行，正常通信。主站交换机把信息传输给百兆交换机，百兆交换机再把矿井信息传输给千兆交换机，千兆交换机又把数据传送到地面调度室，整个流程就是PLC控制器与监控计算机通信过程。不同的PLC控制器对应的IP地址详见表1所示。

表1 PLC对应的IP地址

2 监控系统上位机的选择

2.1 上位机软件

监控系统上位机软件选择的是组态王软件，该软件集监控和采集数据于一身，不仅可以采用分布式控制，而且还可以采用单机集控式，最大优点是其具有远距离监控能力[3]。若该组态王采用分布式控制系统，下位机在现场实时采集信号、整理数据，并把数据及时传送到上位机，上位机处理信号完成后，相关命令被发送给下位机，同时上位机把数据整理成图表的形式呈现给用户。若组态软件采用集中式的监控，优点是系统不仅能够实时现场采集信号、处理数据，同时还能进行全程监控[4]。

在线监控系统组态软件采用的是“组态王6.0”。组态王6.0适用windows操作系统，也适用于XP操作系统，语言文字为中文，方便大众识别、操作。组态王6.0软件界面功能齐全，能够模拟实际工业现场，具有形象逼真的效果。以函数、IO/驱动程序和控制组件等为基础，是一种便于人机交换的控制监控井下带式输送机的操作工具。可以根据现场采集到的信息，实时呈现动态画面、图表、参数变化等，配备相应警报系统，一旦监测到皮带故障发生，立马响起警报。

2.2 建立监控系统的步骤

（1）图形界面

运用程序代码编程技术开发的组态王6.0软件，使用者可以根据自身需要建立多个画面，每个画面的静态或者动态图像相互关联，形成统一的对象图形界面。软件里面包含绘图工具、实时变化曲线、以往趋势变化曲线、转换按钮等。

（2）建立数据库

“组态王6.0”软件核心就是数据库，上位机与下位机的联系就是靠数据库来完成。实时数据库就是采集现场的带式输送机运行状况，在软件界面上以动态的画面呈现在屏幕上，同时用户在软件中发出的信息，通过数据库发送到工业现场。历史数据库主要是记录以往运行情况，并储存在数据库里，需要查询历史状况，只需调出数据查询即可。

（3）动画连接

屏幕上呈现的画面、图形、图表与数据变量之间关系需要动画连接才能实现，一旦数据变量发生改变，界面上的图像就会根据实时数据通过动画连接表示出来；反之，用户使用者改变了界面图形对象，通过动画连接，相应的数据值也会根据图像发生变化。

（4）运行和调试

Touch View是组态王6.0软件运行环境，在组态王软件中调试界面图像与现场监测到的数据对应关系，来达到最优监测结果画面。

3 在线监控系统设计

3.1 组态界面

在线监控系统组态界面如图2所示。电机电流值、电压值、电源供电值以及相应传感器实时监测值均是该组态界面的基本监测参数，在组态界面上会实时显示监测状态。点击主控界面，可以实时了解带式输送机工作状况。使用人员点击操作按钮，输入登陆密码，就可以进入监控主画面。

图2 组态界面

3.2 带式输送机开关控制按钮

（1）带式输送机工作原理

主动滚筒提供动力，尾部改向滚筒对皮带进行改向，两个滚动共同作用使得皮带形成一个环形带，上下托辊给皮带提供支撑力，带式输送机正常运行所需的张紧力靠拉紧装置发挥作用。皮带的运转，主要靠与主滚筒摩擦力前进，煤便被皮带运输出去。

煤矿井下连续输送皮带机曲线启动，根据物理学可知，其速度方程为：

式中：

v(t)-任意时刻瞬时速度，m/s；

v0-平稳运行速度，m/s；

T0-启停时间，s。

式中：

a(t)-任意时刻瞬时加速度，m/s。

从上述速度和加速度公式可以看出，带式输送机以加速度为0的平稳速度启动；当t=T0/2时，加速度和速度均达到最大值；随后，皮带速度增加到理想速度，最终以该速度运行。

（2）启停控制界面

根据带式输送机工作原理，开发了启停控制软件，该控制界面如图3所示。用户使用者点击“查询操作”进入主画面后，操作启停按钮，控制皮带机运转。

图3 启停控制皮带机

3.3 报警系统

为了地面监控总站能及时发现、统计和处理报警信息以及带式输送机运行状态，单独在软件中设置了带式输送机实时工作运行情况界面和报警系统界面。操作人员只需点击“查询报警”，便可进入报警系统，界面上有关于报警信息的时间、程度、类型等具体参数。

报警系统中预设有限定值，一旦发现带式输送机运行过程中超过了设定的参数值，便会自动发出警报。在报警主界面上就会显示故障的相关情况，根据信息反馈给相应传感器，主控作出反响。PLC监控器通过远距离在线监控，实时了解带式输送机运行状况，通过动画连接，把井下带式输送机工作情况传输到组态界面上。报警系统中的运行记录情况、报警参数信息等详见图4所示。

图4 在线系统报警界面

4 结 论

（1）煤矿井下在线监控带式输送机工作状态，基于PLC以太网监控方式，主要通过主站、分站、防爆箱三者之间联系，形成信息的收集、传输、处理和形成。

（2）开发的组态王作为监控系统上位机软件，通过建立图形界面、构建数据库、动画连接、运行调试等步骤组成在线监控系统的工作过程。

（3）在线监控系统组态界面可以实时显示电机电流值、电压值、电源供电值以及相应传感器实时监测参数，及时了解带式输送机工作状况；根据带式输送机启动工作原理，开发了对皮带机的启停控制软件；操作人员只需点击“查询报警”，便可具体了解皮带的实时运行情况，一旦发生故障，报警系统马上做出响应。

设计在线监测井下带式输送机运行机制控制系统，不仅减轻了工人的劳动强度，还为矿井现代化建设迈出了重要的一步，该监控系统性能可靠、安全性高，减少了带式输送机的故障发生率，大大提高了矿井的经济效益。