张亚鹏

（山西焦煤霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西运城 043300）

0 引言

皮带机是可以连续作业的一种运输设备，其优势在于距离长，运送的能力较强，费用低，方便进行远程状态监测和集中自动化智能控制。在煤矿的生产中具有重要作用，它的运行状态对煤矿企业生产经营效益有着直接的影响。生产过程如果出现跑偏，堆煤及烟雾等故障，都会降低运输能力，甚至是停产，从而造成比较严重的经济损失，甚至是毁坏设备，危及财产和生产等重大事故。

本文以国内某煤矿作背景开展研究，根据生产场地要求及井下作业状况，把通信、计算机、传感以及PLC等技术结合，设计研发一套可以对井下运行的皮带机进行在线状态实时监测的系统[1]。

1 皮带机相关系统特征和问题

1.1 皮带机结构

皮带机主要由输送带、托辊、机架以及驱动、清扫和保护及拉紧等装置构成，如图1所示。皮带机出现故障的主要部位是驱动装置，其主要功能是给皮带提供动力牵引，使其运行正常。驱动装置的主要构造包括电动机、减速机、联轴器、液力器和制动器等。

皮带机工作运行的原理：输送带缠绕滚筒传动，滚筒改向，滚筒拉紧成环状，拉紧装置给皮带机传递适合的张力，如果皮带机运行正常，驱动装置带动滚筒，然后借助滚筒和输送带之间产生的摩擦力驱使皮带机不间断连续运行[2]。

1.2 存在问题及解决方向

（1）不平衡问题。在皮带输送机使用中出现转子质量偏心及零部件损失。经实践总结发现，安装及加工中的误差或是不均的材质是造成转子发生质量偏心的主要原因。

（2）不对中问题。皮带机在运行中受到高载荷的影响，导致轴承与联轴器以及传动轴变形等。

（3）油膜振荡问题。一般是受轴承滑动油膜所引发的自激性振动，在达到一定转数值的时候，转子会出现半速涡动，在转速达到2倍以上时产生共振，表现出来的就是强振动现象。

皮带输送机在系统中存在的这些问题会导致跑偏、烟雾、速度不稳定等故障，这些故障能够通过检测系统直观清晰地监测到。所以，对皮带机运营过程的检测，能够预防事故发生，或在发生事故时及时准确地找到故障发生的部位及类型，并能够在最快时间维修，从而有力地保障煤炭生产[3]。

2 皮带传输机监测系统设计及结构

2.1 检测设计要求

要求能够实现下面功能：（1）实时监测设备生产运行功能；（2）异常情况预警及发现故障报警功能；（3）设备运行数据自动记忆记录功能；（4）系统智能阅读查询功能；（5）设备故障快速诊断功能；（6）无线振动式传感器数据监测功能。

2.2 设计相关检测功能结构

系统结构主要包括物理层、信息分析处理层和数据采集和传输层3个部分。

（1）物理层的主要构成包括振动、温度以及保护设备传感器。主要的功能是实现皮带机各项现场运行数据的信息采集。

（2）数据的采集层和传输层指的是井下PLC分站，由PLC同触摸屏构成。经由PLC与扩展模块实现对系统状况的监测及数据的分析处理，嵌入式触摸屏负责呈现监测画面并保持与上位机之间通讯[4]。

（3）信息分析处理层也就是上位机，主要负责对皮带机实时状态的显示及信息记录，查询监测历史曲线和数据以及报表和报警等相关记录，同时具备异常状况预警和故障发生报警等功能。

该套监测系统选用PLC控制和触摸屏以及组态及通信等现代化技术，实现皮带机井下运行状况的可视化远程监测，组态系统界面直观且操作方便[5]。

3 系统相关硬件结构设计

3.1 结构及其原理

（1）该套系统硬件重要的组成部分包括井下和地面两部分构成，具体构成如图2所示。这两个部分是经以太网进行连接的，井下状况的监测部分由3个分站构成，每个分站的核心都是由PLC控制器完成，主要结构一般分为安全型防暴隔离箱、矿用传感器、触摸屏以及PLC及扩展功能模块等部分[6]。

图2 硬件系统组成

（2）工作原理。各传感器对皮带机运行过程信息状态进行采集，采集的信号传送于PLC，PLC对这些信息进行运算、处理、判断、分析，实时对皮带机进行检测，并且将各信息传送于触屏，由触屏显示出信息以供工作人员观察，最后再由光纤传送于地面上位机，最终达到远程监测功能。当传感器传输数据大于预警值时，系统进行预警提示操作人员诊断。当数据大于报警时，设备停机维修。

3.2 PLC及模块控制原理

PLC采用西门子S7-200，震动传感器监测点选在减速器主轴前后轴承处、耦合器主轴前后轴承处、电机主轴前后轴承处，共有6个检测点，每个传感器对水平X方向、垂直Y方向进行测量。系统需要24个传感器，所以要用24路输入的模拟量，需要3个8路西门子EM231模块来实现[7]。

温度传感器测试点在电机主轴前后，每个采区有2个电机，所以要用4个传感器及1个EM231模块。

开关输入为7个按钮输入、1个传感器速度开关输入、4个传感器烟雾开关输入、6个传感器撕裂开关输入、2个传感器堆煤开关输入、6个传感器跑偏开关输入。

4 软件系统设计

4.1 组态软件MCGS相关设计

工控MCGS组态软件能够实现计算机快速搭建监测系统，可以提供给用户工程实际问题相关的设计方案及开发平台，能实现现场采集数据、数据实时处理、安全报警机制、画面显示、报表输出及流程控制等相关的功能。

4.2 相关PLC程序设计

系统选用S7-200西门子编程软件，控制台上安装5个监测控制按钮，分别是显示主界面、实时曲线、历史报表和报警记录的按钮，还有轮询按钮等。操作人员就是通过操作这些功能按钮来完成工作任务的。

（1）系统模数程序转换

通过振动和温度两个传感器输出电流信号，PLC处理的系统数据必须是数字量，传感器输出的模拟信号大都是4～20 mA电流或者是0～5 V电压，所以系统采集的信号一定要通过A/D进行转换之后PLC才可以处理，经由EM231完成模数的信息转换，最终得出实际需要工程值[8]。

（2）系统预警及报警的相关设计

系统经过对皮带运输机运行参量的实时监测，经过比较和分析实现预警及报警。当模拟量数值比预警值高时，表示系统出现异常，这时系统开始预警；当数值超出报警值时，系统就会通过声光进行报警并同时停机，以便开展维修[9]。

（3）系统对状态的监测

将系统采集的参数值和预先设置好的预警及报警的值加以比较，若监测参量没有超过设定范围，表示皮带运输机状况良好；若超出预警及报警范围值，表示皮带运输机工作异常。

5 结束语

本文根据PLC程序对皮带机进行监控，从而掌握了解运行的皮带机使用状态，预测、评价皮带机使用的可靠性以及能够预见可能发生的故障，并能够对故障大小、部位、原因进行分析甄别，以及达到对故障发展进行预测，从而节约维修所用时间。系统能够达到远程监控皮带机运营可视管理，进而确保皮带机稳定、连续运行，提升了煤炭设备自动化、信息化的水平，从而为煤炭企业的发展提供了良好的动力。