刘云楷李 杰孟祥忠王振起

(1.淄博矿业集团有限责任公司葛亭煤矿,山东省济宁市,272053; 2.青岛科技大学自动化与电子工程学院,山东省青岛市,266042)

井下带式输送机保护传感器动作特性测试系统的研究

刘云楷1李 杰1孟祥忠2王振起2

(1.淄博矿业集团有限责任公司葛亭煤矿,山东省济宁市,272053; 2.青岛科技大学自动化与电子工程学院,山东省青岛市,266042)

带式运输系统中设置了各种保护传感器,主要为温度和烟雾传感器,这些传感器须具有较高的灵敏性和可靠性,因此设计了一套井下带式输送机保护传感器动作特性测试系统,该系统使用智能模块进行数据采集,并在MCGS组态软件上实现测试结果显示,可以有效且方便地检测传感器的性能。

温度传感器 烟雾传感器 智能模块 MCGS

1 引言

带式输送机作为井下运输系统的重要组成部分,其工作情况的好坏直接影响到矿井的安全生产。当带式输送机工作异常时,电机温度会明显升高,若不能及时处理,持续的高温还会导致周围的橡胶、塑料甚至煤炭等的燃烧并产生烟雾,极有可能引发井下瓦斯、煤尘爆炸以及火灾等安全隐患。因此,必须要有相应的监测系统对其进行实时监测,温度和烟雾传感器作为重要的保护传感器,其正常工作与否直接决定了整个监测系统的好坏。

按照规定,煤矿必须对所用温度和烟雾传感器进行定期测试,确保所使用的传感器具有较高的灵敏性和可靠性。以往的测试手段一般是周期性送到生产厂家,由生产厂家来进行测试,这就造成了送检时间长,影响煤矿的正常使用,不能满足煤矿的需要;而由煤矿自己进行测试又没有正规的方法,还需要自行准备检测材料,而且对温度和烟雾传感器的检测方法比较粗劣,既保证不了精确度,也不符合煤矿安全生产的要求。

本文根据温度与烟雾传感器的工作原理,研究设计了一套井下带式输送机保护传感器动作特性测试系统,使用MD－8PT模拟量采集模块、MD－108模拟量采集模块、NT－1012开关量输入/输出模块和XMT8008K智能温控仪等智能模块,通过RS－485总线与上位机进行通信,在上位机上使用MCGS组态软件完成组态画面设计,实现对保护传感器动作测试结果实时显示和记录,经测试本系统使用效果较好,可以有效地解决煤矿的实际问题。

2 系统硬件设计

2.1 系统设计思路

本测试系统包括电源区、温度传感器动作特性实验区、烟雾传感器动作特性实验区以及上位机4个部分。

(1)电源区负责整个测试系统的供电,提供3种传感器的工作电压,分别是12 V、18 V和24 V。

(2)温度传感器动作特性实验区由恒温箱、NT－1012开关量输入/输出模块、MD－8PT模拟量采集模块及热电阻等组成,恒温箱由XMT 8008K智能温控仪控制,将热电阻放置于恒温箱中与MD－8PT连接,用来测量恒温箱的实时温度并读取温控仪的实时温度,以判断恒温箱是否正常工作。测试时,将待测温度传感器的探头置于恒温箱中,在MCGS上设置恒温箱温度,由NT－1012开关量输入/输出模块负责采集待测传感器的动作特性。

(3)烟雾传感器动作特性实验区由烟箱、烟雾发生器、NT－1012开关量输入/输出模块、MD－108模拟量采集模块、烟雾传感器及风扇等部分组成。其中,烟雾发生器以专用发生烟雾液体作为发雾原料,用恒温加热的方法产生;风扇可以使烟箱中烟雾浓度均匀;烟雾传感器放置于烟箱中使用MD－108与烟雾传感器连接,可以实现烟雾浓度的在线监测。测试时,将待测烟雾传感器置于烟箱中,按下烟雾发生器的开关,由NT－1012开关量输入/输出模块负责采集待测传感器的动作特性。

(4)上位机安装MCGS组态软件,通过RS－485总线与各个模块通信,控制测试进程、记录待测传感器动作时的温度与浓度,并通过NT－1012输出控制对应动作指示灯的开关,而且可以打印测试记录数据,方便查询与统计。

2.2 系统的硬件设计

本测试系统使用模拟量采集模块MD－8PT和MD－108实时检测恒温箱的温度和烟箱的烟雾浓度,使用NT－1012开关量输入/输出模块采集待测传感器的动作特性。这些采集模块与智能温控仪表均采用Mod Bus RTU通讯协议,通过USB转RS－485模块与上位机通信,其主要硬件与通信结构如图1所示。

图1 测试系统主要硬件与通信结构

由图1可以看出,I/O模块NT－1012为12输入4输出模块,主要用于测试系统开关量的采集,主要包括温度传感器实验区的启动开关和传感器输出节点以及烟雾传感器实验区的启动开关和传感器输出节点,各个模块具体作用如下:

(1)模块通过RS－485与上位机通信,上位机经过程序处理后通过I/O模块NT－1012来控制2个输出继电器,即温度和烟雾传感器实验区的动作指示灯。

(2)MD－8PT是热电阻输入模块,能够将采集的热电阻值数据转换为RS－485数据,经由RS－485总线将数据传输至计算机,能够同时将8路PT100电阻值采集至计算机,可以与兼容Modbus RTU通信协议的组态软件以及PLC实现无缝连接。

(3)XMT 8008K智能温控仪采用计算机微电脑技术,支持热电偶、热电阻、4～20 m A电流(需外加250Ω的分流电阻)及0～5 V的电压信号输入,具备PID功能与自整定功能,上下限报警或上上限报警,两组模拟量的输出可用于控制或变送。仪表具备RS－485通讯,可与组态软件或触摸屏连接以方便组态,响应时间小于0.5 s。

(4)MD－108模拟量采集模块可以采集8路模拟量数据(4～20 m A电流/0～5 V电压),再通过Modbus RTU等相关协议进行编码,通过RS－485总线或者TCP/IP网络将其传输至计算机。其内部集成的ModbusRTU协议通用性高,适用范围广。MD－108模拟量采集模块与烟雾传感器相配合,可以实现烟雾浓度的在线监测。

3 系统软件的设计

3.1 软件的设计

本测试系统软件分为烟雾传感器测试部分和温度传感器测试部分,测试时可以通过软件界面上的选择按钮来选择相应的测试区。本测试系统采用MCGS组态软件对采集的信息进行处理、显示和存储,可在测试过程中对关键参数进行在线设定和修改,MCGS组态软件界面包含主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略,组态软件设计流程如图2所示。

图2 MCGS设计流程图

由图2可以看出,在MCGS组态软件设计中,首先是创建工程,接着建立以模块采集信息及开关量为内容的实时数据库,本项目数据库中的变量类型可以定义为字符型(烟雾传感器编号和温度传感器编号等)、开关型(电源启动、输出接点和动作指示等)和数值型(烟雾浓度和温度等),然后在设备窗口的设备工具箱中添加通用串口父设备和4个莫迪康ModbusRTU子设备,分别命名为开关量模块、热电偶模块(MD－8PT)、烟雾模块(MD－108)和恒温箱模块(XMT 8008K),设备窗口如图3所示。

图3 设备窗口

由图3可以看出,串口父设备中串口端口号需要根据实际上位机连接的端口进行配置,而通讯波特率为9600 bps,数据位为8位,停止位为1位,数据校验为无校验,数据采集方式为异步采集,同时分别为4个子设备分配地址0～3,对每一个子设备需要根据各个模块的通讯协议以及具体使用的通道,进行通道连接的设置。以烟雾模块MD－108为例,模拟量模块可以采集8路4～20 ma的信号,根据厂家提供的资料,模拟通道0～7的地址位0×01～0×08,数据为2个字节,在本项目中使用的是第0号通道,但在MCGS的ModbusRTU协议中,第1个通道是用来检测设备通信的,所以在配置的时候需要通道值加1,使用的是4区输出寄存器,16位无符号二进制,即4WUB0002,其他几个模块设置同理,通道连接如图4所示。

当完成以上工作之后,就可以构建测试系统的操作界面,在组态窗口建立历史表格、实时曲线和动作按钮等构件,并与实时数据库中的变量进行链接,在运行策略里添加构件编写相应运行程序来对采集的数据进行处理和显示。最后对整个运行软件进行测试,系统运行界面如图5所示。

由图5可以看出,图5(a)和(b)分别为温度和烟雾传感器测试界面,通讯状态指示灯显示当前各模块的通讯状态。以温度传感器为例,当输入设定温度数值后,单击确定按钮来改变恒温箱温度;完成一次测试后单击实验结果记录按钮,记录实验结果;单击查看当天记录按钮,可以查看当天测试的数据;历史实验查询则记录着所有测试数据,可以设置时间去查询某一天的测试数据,测试记录与查询如图6所示。如果需要还可以点击数据报表打印按钮,对测试数据进行打印。

3.2 部分程序设定

其中使用循环策略判断I/O模块的输入变化,控制开关量模块的输出,部分程序如下:

图4 通道连接窗口

图5 测试界面

图6 测试记录与查询

4 结语

井下带式输送机保护传感器动作特性测试系统操作方便,普通工作人员经过简单培训就可以进行操作测试,待测传感器无需返厂检测,大大提高了传感器检测的频率和效率,有效地保证了井下带式输送机安全可靠地运行。本测试系统准确度高,通过设置热电偶和烟雾传感器不仅保证了检测条件的真实可靠性,杜绝了误检测事件的发生,而且实现了烟雾浓度的在线监测。目前,本测试系统已在淄博矿业集团葛亭煤矿投入使用,运行状况良好。

[1] 朱艳军,任晓迪,席冉.煤矿主运输带式输送机故障监测和防治系统研究[J].中国煤炭,2014(4)

[2] 包建华,丁启胜.工控组态软件MCGS及其应用[J].工矿自动化,2007(3)

[3] 张淑红.基于组态王的传感器实验台监控系统[J].自动化仪表,2008(5)

[4] 吴桂林,郑建勇.RS485上下位机多机通讯网络系统设计[J].微计算机信息,2008(36)

[5] 王锐,秦建峰.矿用烟雾传感器检测装置设计和配置[J].煤,2012(10)

(责任编辑 王雅琴)

表2 工作面人员配置

(3)采用集中自动化的控制方式能够统一分配和调度,减少误操作,提高安全系数。

(4)搭建的网络平台可以将工作面设备数据信息上传到地面监控中心,为生产管理提供重要的数据分析资料。

(5)在地面搭建三维虚拟现实平台,实现了井下工作面实景的三维虚拟动画实时展示,为管理人员提供判断和决策的依据。

参考文献:

[1] 王宁波,张农,崔峰等.急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征[J].煤炭学报, 2013(8)

[2] 夏护国.自动化综采工作面技术应用[J].陕西煤炭,2007(1)

[3] 王波,邓文革,关伟.自动化技术在综采工作面的应用[J].陕西煤炭,2011(3)

[4] 帅银周.自动化综采工作面的实现与应用[J].科技信息,2010(6)

[5] 何勇华．综采自动化控制系统在新元煤矿的应用[J]．中国煤炭,2014(9)

作者简介:田华(1971－),男,宁夏回族自治区中宁县人,高级工程师,现任神华集团神华新疆能源有限责任公司副总经理,主要从事煤矿生产技术管理工作。

(责任编辑 路 强)

The research of performance characteristics test system of downhole belt conveyor protection sensors

Liu Yunkai1,Li Jie1,Meng Xiangzhong2,Wang Zhenqi2
(1.Geting Coal Mine,Zibo Mine Group Co.,Ltd.,Jining,Shandong 272053,China; 2.College of Automation and Electronic Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266042,China)

Belt transport system set up various protection sensors,particularly are temperature and smoke sensors,which must have highly sensitivity and reliability.The current authors designed a performance characteristics test system of downhole belt conveyor protection sensors which using the intelligent modules to collect data and realized displaying the test result in MCGS configuration software.The test system could detect the performance of protection sensors effectively and expediently.

temperature sensors,smoke sensors,intelligent modules,MCGS

TD634.1

A

刘云楷(1962－),男,山东淄博人,工程师,工程硕士,现任淄博矿业集团有限责任公司葛亭煤矿矿长,主要从事煤矿机电控制技术、煤矿综合自动化技术的研究与设备管理工作。