矿井皮带运输机运行状态监测与保护系统设计

郭 涛

(西山煤电 西曲矿，山西 古交 030200)

0 引言

皮带运输机一直以来都是矿井运输煤炭的重要机械设备，在煤矿开采过程中发挥着举足轻重的作用。但是随着工作面长度的增加，井下大都使用长距离皮带机，而且井下工作环境复杂恶劣，加上皮带机长期不间断运输煤炭，容易发生皮带断裂、皮带纵向撕裂、皮带打滑、皮带跑偏等各类故障，煤炭容易发生撒料、堆煤，工作面容易发生火灾事故。上述皮带机的故障具有突发性，不但会影响皮带机的使用寿命，而且还会影响煤矿的正常运营，工作面发生火灾更是会威胁到工作人员的生命安全[1，2]。因此，对皮带运输机进行运行状态监测和保护，实现皮带运输机的“无人值守”具有重要的意义。为此，本文设计了一套基于PLC的皮带运输机运行状态监测与保护系统，可实现井下远程监控平台、地面监控中心对皮带运输机的实时状态监控、故障诊断、故障报警以及综合保护功能。

1 皮带运输机日常故障类型分析

皮带运输机日常发生的故障及故障原因有[3]：①皮带跑偏：皮带跑偏故障发生占比较大，主要分为皮带悬空于皮带机支架上方和偏离皮带机支架两侧两种情况，皮带跑偏如若不及时处理，则会导致煤炭撒料、堆积现象，而长时间的皮带跑偏更会引起皮带撕裂，缩短皮带的使用寿命;②皮带断裂：当皮带老化、磨损严重时，如若不及时处理，便会发生皮带断裂，皮带断裂常发生在皮带机滚轴处和皮带接口处;③皮带机撒料：撒料分为两种情况，一种是悬空撒料，另一种是皮带跑偏造成的撒料;④皮带打滑：当皮带与转轴无法同步转动时，皮带与转轴间便会发生滑动摩擦情况，即为皮带打滑，皮带打滑多数是因为皮带机的张紧装置出现问题。

2 皮带运输机监测与保护系统总体结构设计

图1为皮带机状态监测与保护系统的总体结构示意图。整个系统由地面监控中心、工业以太环网通信网络、井下现场上位机、PLC主控制器、CAN总线通信网络、传感监测与保护单元等组成。其中，地面监控中心由一主一备监控电脑、防火墙、数据库服务器、LED大屏幕等组成，负责将井下上传的数据信息在LED大屏幕进行实时曲线、历史曲线显示以及视频图像显示，同时具有在线数据存储、报表生成、报表打印等功能；工业以太环网通信网络是系统的通信通道，可扩展性强；井下现场上位机、PLC主控制器负责对采集的信息进行数据转换、智能分析和诊断处理，判别各种可能的故障类型，并由现场上位机通知现场工作人员；传感器监测与保护单元由矿用传感器、保护开关、本安摄像机组成，负责对皮带运输机的运行状态及环境状况进行监测，并通过CAN总线通信方式将采集数据传输给PLC控制器，同时执行故障保护功能，当系统监测到相应的故障时，将由开关执行停机操作，同时采集皮带机机头、机尾的图像信息，并利用光纤通信方式经交换机传输至地面监控中心。

图1 皮带运输机监测与保护系统总体结构示意图

3 硬件部分方案设计与选型

3.1 井下主控制器选型

主控制器选用西门子S7-1200系列PLC。中央处理器单元选择CPU1214C模块；为了对传感器采集的数据进行转换，采用了模拟量输入模块SM1231；同时采用数字量输入输出模块SM1223，用于数字量的采集以及控制信号的输出；通过以太网通信模块CSM1277实现PLC主控制器与井下现场上位机之间的双向传输[4]。

3.2 传感监测与保护方案设计与选型

本文搭建的传感监测与保护单元由各类矿用传感器及传感保护开关组成，以下对部分设备型号进行了具体选择，同时对监测安装位置进行了设计：

(1) 速度传感器：皮带机中有两处速度需要测量，一是驱动滚筒转速，二是皮带带速。测量结果可用于皮带断带、打滑、改向滚筒运转不灵活等故障的诊断。将速度传感器分别安装于驱动滚筒轴上、改向滚筒轴上及机架上并置于皮带下方。速度传感器采用KGS2型传感器。

(2) 振动传感器：选用型号为CYT9200的一体化振动变送器，将其安装在减速机的外壳上，通过监测获取来自减速机及驱动滚筒的振动信号。

(3) 温度传感器：选用PT100型温度传感器。温度传感器的安装分两种情况，一是将其安装于皮带机滚筒轴瓦、电机轴承、电机绕组上，以此来监测皮带机的部件温度，用于故障判断；二是将其安装于巷道中，用于识别火灾事故。

(4) 张力传感器：选用Celtron STC系列拉力传感器，将其安装于皮带机和拉紧装置之间，用于皮带断带故障的诊断。

(5) 纵撕开关：选用KPJ1A型纵撕开关，将其安装于落料口处，用于诊断纵撕故障。

(6) 跑偏开关：选用KGE9A型跑偏开关，将其安装于机头、机尾及机身两侧。

(7) 烟雾开关：选用KGV1型烟雾开关，将其安装于被保护处的下风口5 m～50 m内，各烟雾开关之间应保证50 m～100 m的间距。

(8) 堆煤开关：选用GUJ35型堆煤开关，将其安装在皮带搭接处，当皮带运输机发生堆煤时，堆煤开关动作，皮带运输机停止。

(9) 急停开关：选用KPG3型急停开关，将其以某一固定间隔在皮带机长度方向安装，用于重大故障时实现紧急停机。

(10) 本安摄像机：选用KBA4A型本安摄像仪，该型号设备体积小、故障率低、便于安装维护，非常适合井下复杂恶劣的环境。拍摄的图像可通过光纤通信方式直接上传到地面监控中心[5]。

4 监控系统软件方案设计

4.1 下位机程序设计

系统主控制器为S7-1200系列PLC，采用其专用的博途V12系列编程软件对系统进行下位机程序开发，采用模块化设计思想按照依次监测故障的流程编写程序。根据皮带机运行状态监测和保护要求，在软件设计时系统应实现对皮带机的工况监测、故障诊断、故障报警、综合保护等。系统下位机程序包括主程序、声光报警程序、CAN总线通信程序、参数初始化子程序、系统保护子程序、传感器数据采集子程序、停机信号子程序等。图2为系统保护子程序的流程框图。

图2 系统保护子程序流程框图

4.2 上位机监控软件设计

井下现场上位机监控软件基于MCGS组态软件，采用模块化设计风格，以较为形象的动画及曲线的形式进行人机交互，具有很强的扩展性。现场工作人员通过图画和曲线便可对皮带运输机的工况参数变化进行实时监测，同时进行控制指令的发送。PLC与井下现场上位机之间通过以太网方式进行通信。上位机监控软件由系统菜单、主界面、采集数据显示界面、故障诊断分析界面、报警窗口组成。图3为软件的界面组成框图及具体实现功能。

图3 软件的界面组成框图及具体实现功能

系统在主界面有报警条件设置一栏，若传感器监测设置不在所设定的阈值范围之内，那么系统将启动报警装置，并进行相应的停机操作或者其他处理动作。

5 结论

针对皮带运输机在运输过程中存在的各类故障，本文设计了一套基于PLC的皮带运输机运行状态监测与保护系统，通过各类矿用传感器、传感监测保护开关、本安摄像机实现了对皮带机全方位、全周期不间断的动态监管，通过监测装置之间的配合进一步完善了故障诊断功能，提高了皮带机运输的效率和安全性，具有一定的参考价值和实际意义。