贾志锋

(山西柳林鑫飞毛家庄煤业有限公司 ，山西 柳林 033300)

0 引言

综采工作面运输设备是井下大型综采设备的重要组成部分之一，主要由运送原煤及作为采煤机移动轨道的刮板输送机、对体积较大煤块进行破碎的破碎机以及将破碎后煤块运输至皮带运输机的转载机组成[1-3]。由于这些运输设备的安全高效运行会对井下煤炭开采效率产生直接影响，因此通过远程监测系统对运行中的综采工作面运输设备进行实时数据采集和故障预警诊断对于降低综采运输设备故障率、提高煤炭输送效率具有重要意义。由于国内针对综采面运输设备监测系统的相关研究起步较晚，多数中小型煤矿仍采用20世纪90年代空分制的监控系统，智能化程度低下，监测设备安装与调试过程十分繁琐。此外每次维护时都需要工作人员停机后在井下进行程序更新，工作量较大，需耗费大量人力资源[4，5]。同时由于监测系统的每个监测点都需要一根电缆进行数据传输，故可监测的参数十分有限，且采集信号的实时性较差，抗干扰能力较弱，无法对多个运输设备实施一体化的全面监控和管理。国内许多企业积极研发了各类监测系统，例如采用Zigbee等无线信号传输方式实现运输设备的远程状态监测，但仍存在故障定位精确度不高、数据互联性较差、系统功能单一等缺陷。针对上述问题，本文设计了一套以PLC为控制核心的煤矿综采面运输设备智能监测系统，可实现刮板输送机、破碎机及转载机运行状态的实时监测与故障预警诊断，具有监测功能较强、监测量较全、通讯性能良好等优点[6，7]。

1 系统总体方案设计

综采工作面运输设备在井下较恶劣的工作环境中长期高负荷运行，设备内部主要部件容易发生各类故障，本系统主要设有以下几个状态监测点：针对减速器设有轴承温度、油位、油温等检测点；针对电机设有电机绕组温度、转速、转子轴温度等监测点；针对冷却系统设有冷却水压力、水位、流量等监测点。通过以上监测点对运输设备的运行状态数据进行采集并上传至上位机实时显示，可以更直观地查看运输设备是否处于健康运行状态，确保运输设备的安全稳定运行。

根据上述对监测点的设置，本文采用主从结构对整个监测系统进行架构，主要包括地面监控层、井下监测层和现场设备层，系统整体结构如图1所示。地面监控层主要由上位机和服务器组成，用于各运输设备运行状态参数的动态显示及故障预警；井下监测层是该系统的核心部分，每个运输设备的监测点设置了相应的监测分站，可对减速器、电动机、耦合器等主要部件进行实时状态监测及数据上传，各分站的数据最终汇集至监测主站实现统一调度管理，并通过监测主站与上位机进行数据交换；现场设备层主要包括安装在运输设备上的各类传感器，用于实时采集设备运行状态数据并上传。

图1 监测系统总体结构图

2 硬件方案设计

该监测系统的控制核心选用S7-300可编程控制器，监测主站的硬件结构如图2所示。主站PLC的CPU选用315-2PN/DP模块，其内部集成了多路数字量及模拟量输入输出模块，可用于各类监测信号、报警信号及控制信号的输入输出，其选型分别为SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)；同时该CPU内部具有3个以上RS485通讯接口，兼容Modbus及Profibus等井下常用网络协议。当系统运行时，CPU通过内部通讯模块与人机界面进行数据交换，从而对各运输设备的运行状态进行实时显示及运行参数修改保存。除人机界面外，系统配备的无线遥控器可通过CPU的数字量接口对运输设备进行远程系统参数修改，无需通过防爆壳上的按钮进行操作，整体安全性与便利性大大提高。

图2 监测主站硬件结构框图

监测从站对I/O接口特性的需求与监测主站基本相同，由于需要对大量传感器信号进行采集，因此从站对模拟量输入点的需求较主站更多，标准配置下单个从站的模拟量输入端的数量需≥10个，信号类型以4 mA～20 mA标准电流信号为主，监测从站硬件结构如图3所示。

图3 监测从站硬件结构框图

图3中，现场设备层的温度、压力、流量等各类传感器用于就地采集运输设备的运行状态参数，传感器的合理选型对于数据采集精确度至关重要。为了监测减速器及电动机轴承、绕组等的温度，本文选用PT100三线制铂热电阻作为温度传感器，其温度测量范围为-200 ℃～+850 ℃，精度选择为A级±0.15 ℃，可满足本系统需求。

根据对监测对象油位与压力的分析，减速器的油位通常不高于50 cm，压力大约为4 kPa，因此本文选用PT20MS表压型压力变送器，其量程为0～0.1 MPa～10 MPa，测量精度为±0.5%，可满足测量需求。

为了监测减速器内冷却水流量，本文选用LWGY-FMT型涡轮流量计，适用的介质黏度小于5×10-6m2/s，公称压力为1.6 MPa～2.5 MPa，所测量介质温度为-20 ℃～+120 ℃，可满足本系统的监测需求。

为了避免采煤机在运行途中与刮板输送机的机头或机尾相撞，需要对两者距离进行准确测量[8]。本文选用GJJ10型矿用激光测距传感器，其测量范围为0.5 m～10 m，测量误差≤0.5%，测量分辨率为1 mm，还可根据红外线设置各种参数。

3 软件方案设计

监测系统程序设计包括监测主站程序及监测从站程序设计等，其中监测主站程序在完成初始化后依次执行与从站建立通讯并读取相应的测量值及预警值、与上位机进行通讯并实现数据互传，最终根据采集结果执行人机交互子程序与预警判断子程序，监测主站主程序流程如图4所示。

监测从站程序在初始化完成后依次执行监测主站通讯建立、各传感器所传输的数字量及模拟量的采集、与人机交互界面建立通讯并实时显示状态数据及报警值，最后当出现异常时执行报警子程序进行报警。监测从站主程序流程如图5所示。

图4 监测主站主程序流程图 图5 监测从站主程序流程图

4 结束语

本文针对传统煤矿综采工作面运输设备监测系统的缺陷，以PLC为控制核心并结合传感器及Modbus通讯技术，根据实际监测需求开发了一套监测数据全面、运行可靠性较高的综采面运输设备远程智能监测系统，通过主从站PLC控制单元结构实现了对刮板输送机、破碎机、转载机等设备运行状态参数的实时监测以及故障报警，保证了运输设备在远程监测情况下安全可靠运行。