张 斌

(山西西山矿业管理有限公司，山西 太原 030053)

0 引言

皮带运输机作为井下原煤运输最常用有效的重要设备，具有运输路径长、可靠性高、易于维护、可实现自动化控制等优点[1]，其安全稳定运行及智能化控制对于提高煤矿开采自动化及安全水平具有举足轻重的影响。因此实时监测和远程控制运行中的皮带运输机对于井下安全高效生产至关重要。

目前国内针对皮带机所开发的监控系统大多存在着自动化水平较低、系统功能简陋、可靠性较差等问题[2-4]。由于国内针对皮带运输机的监控系统技术起步较晚，多数中小型煤矿仍以人工井下监控为主，智能化程度低，需要大量人力，工作量较大，且井下工作环境恶劣，工作人员安全无法得到有效保障。同时皮带机的运输效率受人为因素影响较大，控制及监测信号只能就地显示，无法对多个皮带机实施一体化的全面监控和管理。针对上述问题，本文设计了一套以PLC为控制核心的皮带运输机远程智能监控系统，将皮带机的工况监测、运行参数设置、故障预测诊断、急停保护、自动张紧及启停控制等功能集于一体，具有监测功能较强、编程简单、通讯性能良好和响应速度快等优点。

1 系统总体方案设计

皮带运输机在井下较恶劣的工作环境中长期高负荷运行，容易发生运输带打滑、跑偏、断裂以及滚筒、电动机等关键部件故障等问题，因此确定监控系统总体方案的首要问题就是需要明确系统的监测量。首先针对打滑问题，需要对皮带机的运行速度进行监测[5]；针对温度过高问题，需实时采集滚筒的温度；对电机、减速器等主要部件需要实时监测其电参数、振动、温度等参数；皮带跑偏、撕裂、煤堆积等问题则应采用相应的传感器进行信号采集[6]。

根据上述对监测需求的分析，本文采用集中-分布体系对整体系统进行架构，主要包括上位机操作层、下位机控制层和现场设备层，系统整体架构如图1所示。上位机操作层主要用于皮带机运行状态参数的显示以及利用人机交互界面向运输机下达操作命令，主要包括内置监控系统的工业计算机、显示器以及交换机[7]。下位机控制层主要用于安装在皮带机上各类传感器信号的收集与上传，并根据上位机指令对皮带机进行控制，主要包括主站PLC和三个从站PLC，每个从站PLC各控制一台皮带机，最终通过以太网与主站PLC进行数据交换实现协调控制。现场设备层主要包括安装在皮带机上的各类传感器及变频器等器件，用于皮带机运行状态及故障情况的数据采集上传以及实现电机软启动等控制功能。

图1 控制系统总体结构图

当系统运行时，首先由安装在皮带机上的各传感器采集其运行时的参数信息，随后各传感器将收集到的各状态量传输至相应从站PLC的输入单元，从站PLC通过以太网与主站PLC进行数据交换，并将运行数据实时上传至上位机进行反馈和显示，最后由上位机对皮带机进行实时的参数监测和控制。

2 硬件方案设计

该监控系统的核心部分主要包括4个主从站PLC及用于现场运行参数采集的各类传感器，PLC与传感器的合理选用是保证系统控制及采集参数可靠性的关键，因此需要进行合理选型。系统控制核心选用S7-300可编程控制器，其中主站PLC的CPU模块选用通用315-2PN/DP，其内部集成了具有以太网协议的Profinet接口以及Profibus DP接口，与从站PLC通过以太网通讯时无需额外的扩展模块即可实现，其电源模块选用PS307 10A型，其额定输出电流为10 A。从站PLC需要收集传感器所采集的各类信号，因此除CPU及电源模块外还需要模拟量及数字量输入输出模块，其选型分别为SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)和SM332(AO)。

为了实时监测皮带机的运行速度，需要通过速度传感器进行相应信号的采集来实现。选用KGX-S1型速度传感器，当其采集到传送带速度信号时会与其额定转速对比并判断是否发生超速或打滑。

跑偏是皮带机工作中最易出现的一种故障，本系统采用GEJ30矿用本安型跑偏传感器对皮带机的偏移状态信息进行采集，其动作角度为(30±3)°，触杆动作力为20 N～100 N，复位角度为15°，具有两极动作、485通信及寻址功能，能够可靠发送皮带机的跑偏状态及跑偏位置的地址信息。

为了防止运输带摩擦起火和设备因高温受到损毁，选用GWD100型矿用温度传感器对皮带输送机表面及沿线设备的温度进行检测。GWD100的温度测量范围为0～100 ℃，显示及输出误差均≤3%，输出信号为标准4 mA～20 mA电流信号，可满足本系统需求。

为了检测皮带机机头处是否存在堆煤现象，选用GUJ30堆煤传感器对皮带输送机的煤位保护信号进行检测，其接点容量为DC 12 V/0.5 A，接点接触电阻≤0.1 Ω，动作角度为30°±3°，探杆动作力≤9.8 N，可满足本系统需求。

烟雾传感器主要用于采集由运输带打滑、线路起火等原因所导致的烟雾信号，从而预防井下的火灾事故发生[8]。选用GQL0.1-Y型烟雾传感器，其动作阈值为0.3 mg/m3，响应时间≤60 s，其灵敏度和响应速度都较为良好。

由于运输带占整个皮带机成本的40%～50%左右，因此运输带撕裂是一种较为严重的故障，本系统采用GVD2000撕裂传感器为皮带机提供胶带纵向撕裂保护，其动作质量为(2000±200)g/100 cm2，工作电压为DC 12 V，工作电流≤0.5 A，信号输出类型为开关量信号，接线方式为二线制，需通过数字量隔离电路接入到从站PLC的DI模块中，接线方式如图2所示。

图2 撕裂传感器接线图

3 软件方案设计

监控系统的主要功能之一是对皮带机进行远程启停控制，当系统初始化并检查无故障之后，首先对启动方式进行选择，当选择自动控制方式时，由程序控制皮带机按“逆煤流”方向进行启动，并按照皮带机运行速度分配延时启动时间，停机则按“顺煤流”方向进行。当皮带机在运行过程中发生故障时，则启动故障停机处理，防止堆煤事故的发生，相应启动程序流程如图3所示。

图3 皮带运输机启动流程图

监控系统的第二大功能就是实时监测皮带机运行过程中可能出现的打滑、堆煤、超温、烟雾等故障，并根据故障的严重性发出相应的控制指令进行报警、停机、启动洒水装置等操作，实现监控设备工况的自诊断功能，具体流程图如图4所示。

图4 皮带运输机故障诊断程序流程图

4 结束语

本文针对传统矿用皮带运输机监控系统的不足，以PLC为控制核心结合以太网通信及传感器技术，根据实际监控需求设计了一套可靠性较高、功能较为全面的井下皮带运输机远程智能监控系统，通过主从站PLC控制单元结构实现了对皮带机的启停调控和现场及工况参数的实时显示和操控，可对煤炭运输中发生的各类故障进行及时的报警与处理，保证皮带机在远程监控情况下的可靠运转。