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矿用皮带输送机远程监控系统的研究与设计

2023-10-23 20 上传者：管理员

摘要：为了解决皮带输送机在长期运行中经常出现皮带断裂、跑偏、打滑、温度过高的问题，采用工业以太网实时通信技术，研制了一种基于S7-300 PLC的皮带输送机远程监控系统。通过实际测试可以发现，设计的系统性能稳定，具有良好的人机交互性能，能够对皮带输送机进行远程监控和参数大小的控制。

关键词：
人机交互
皮带输送机
矿井监测
运行状态
远程监控
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现如今，国内现存的皮带输送机监控系统仍然面临着自动化水平低、功能简单、可靠性差等问题。同时，国内对皮带输送机监控技术的研究起步较晚，大部分中小煤矿还采用人工方式进行矿井监测，这种方式的自动化水平不高、劳动强度大、劳动成本高、工作环境差。另外，员工的安全也不能得到有效的保障[1]。并且，考虑到人为因素的影响，皮带输送机的传动效率也受到了极大的干扰，现场只能进行实时控制和监控，无法实现多台皮带输送机的综合监控和管理。为了解决上述问题，本文设计了一种基于PLC控制技术的矿用皮带输送机远程监控系统，实现了对皮带输送机运行状态的监控、参数设置、故障预测，以及保护、张力、启停功能的集成。

1、系统总体方案设计

考虑到皮带输送机井下工作条件差，长时间高强度的作业，皮带易出现打滑、跑偏、断裂等故障[2]。首先，为了解决皮带输送机的打滑问题，必须对皮带输送机的运行速度进行实时监控；对于高温问题，需要实时测量辊子的温度；电机、减速器等关键部件的电气、振动、温度等参数也需要实时监控；皮带跑偏、撕裂、积煤等问题需要通过相应的传感器来实现。在对监控要求进行分析的基础上，提出了一种基于集中-分布的系统结构（见图1），它包含了上位机操作层、下位机控制层和现场设备层。计算机操作层主要是通过计算机、显示器和交换机来显示皮带输送机的工作状态，通过人机接口对输送机进行操作指令的显示。下位机的控制部分主要是采集和上传各种传感信号，并根据上位机的指令实施控制。该控制部分的控制功能主要是通过一个主站PLC以及三个从站PLC来实现的，每个PLC控制一个皮带输送机。最终，经由以太网以及主站PLC之间的信息交互，实现了系统的协调控制。现场设备层主要由各种传感器和变频器组成，用于对皮带输送机的工作状况和故障信息的收集及上传，并实现电动机的软启动过程。

图1监控系统整体结构

当系统工作时，首先，安装在皮带输送机上的各传感器获取其工作时间的参数，各传感器将采集到的状态值发送给相应从站PLC的输入端口。从站PLC通过以太网与主站PLC交换数据，并将运行数据上传到上位机进行实时反馈显示。最后，上位机对皮带输送机的参数进行实时监控和控制。

2、硬件方案设计

系统的关键部件主要由一个主站PLC、三个从站PLC以及各种传感器组成。PLC和传感器的选择对系统控制和数据采集的可靠性起着至关重要的作用，因此必须要选择合理的类型。本系统在设计的过程中采用了较为流行的S7-300可编程控制器，采用通用315-2 PN/DP作为主控制器，内置Profinet和Profious DP，与从站PLC之间通过以太网进行通信，不需要附加额外的扩展模块。由于从站PLC需对各种传感器采集到的多种数据进行进一步处理，因此不但需要CPU、电源模块，还需要模拟器、数字式输入/输出模块，其中模拟器输入模块型号为SM321、输出模块型号为SM322；数字式输入模块型号为SM331、输出模块型号为SM332。

要想实时监测皮带输送机的速度，需要通过速度传感器来获取相应的数据。选择KGX-S1型转速传感器，在接收到输送皮带的速度信号时，通过与额定转速的比较，可以判定有无超速、打滑现象。本系统采用GEJ30型矿用位移传感器，用于皮带输送机的数据采集，其偏移角为（30+3）°的工作角，接触力为20～100 N，回程为15°，并具有485通信和寻址功能，能准确监测皮带输送机的运行状况和位置信息。

考虑到输送带的高温运转，可以采用GWD100矿用测温仪，能够避免因运输皮带的撞击引起的火灾或电器受到高温损坏，对电气设备外表和轨道线路进行检查[3]。GWD100满足系列标准规定，在0～100℃的工作温度范围内，显示电流和电压偏差均低于3%，正常输出电流范围为4～20 m A。用来检查皮带输送机机头上是否有煤堆，并通过GUJ30型煤堆感应器检测煤位的变化情况。此传感器的触头容量为12 V/0.5 A，接触电阻小于0.1Ω，接点角为（30±3）°，探头工作力大于9.8 N，完全能够满足系统的需要。烟感传感器是用于收集输送带滑动和线路火灾产生的烟尘信号的一种传感器，可以在一定程度上杜绝矿井火灾的发生。该监控系统选择的是GQL-0.1 Y型感烟传感器，其工作阈值为0.3mg/m3，反应时间<60 s，灵敏度和反应速度均较理想。

本文所采用的GVD2000撕裂仪是为了防止胶带上出现纵向撕裂现象，其工作质量是（2000+200)g/m，工作电压为12 V，工作电流小于或等于0.5 A，信号输出端采用断路器，接线方式为双线制，需要用DVD2000断路器与从站PLC DI模块连接，具体的接线方式见图2。

3、软件方案设计

当皮带输送机远程监控系统需要工作时，在系统初始化确认没有问题后，首先选择启动模式，选择自动控制模式后，程序控制皮带输送机在与煤流相反的方向上启动，并根据皮带输送机的运转速度来分配延迟启动时间；而在与煤流相同的方向上时，解除自动控制模式。如果皮带运输机运转中出现故障，立即进行故障停机，以避免堆煤事故的发生，相应启动程序流程如图3所示。

图2撕裂传感器接线

图3皮带输送机启动流程

该监控系统的另一重要作用是对皮带输送机在使用过程中可能发生的打滑、堆煤、超温、冒烟等故障进行实时监测，并按故障的严重性进行报警、停止、启动喷洒等相关作业，实现设备状态的自诊断。PLC的软件系统主要功能为控制系统的初始化工作、设备故障的自动检测和控制系统的主程序管理等。然而，控制系统的主控制进度管理则包含许多子程序，内容主要涉及对输入与输出信息的管理、对控制模块的选择、对装置的启停管理、对装置工作的速度管理和对自身故障的保护等。主程序的主要任务是对各个子程序之间的运行进行调节，以便于系统可以实现对数据的实时收集，再经由处理后将其反馈到地面的集控中心。此外，工作人员可以依照收集的参数信息对其进行调整与控制，来完成皮带输送机的远程监控工作。

4、应用效果分析

基于山西某煤矿企业煤炭的生产需求，将井下皮带输送机的控制系统作了一系列的改进，完成了从总体方案到硬件系统，再到软件系统的设计。为了验证设计的控制系统的合理性及可靠性，将其应用到现有的皮带输送机当中。通过试验结果可以发现，该控制系统不但可以稳定运行，还能完成对井下各个皮带输送机的集中控制和远程监控。根据试验结果统计，在使用该控制系统之后，皮带输送机不仅可以可靠地运行，还具备了速度调节的功能，与之前相比，可以节省大约1/10的能源。此外，在设备的启动过程中，也较原来有了更好的平稳性，并且该过程可以经由工作人员远程操控，减少了2～3名一线作（下转第188页）业人员的派遣数量，为井下少人化发展作出了贡献。该控制系统的应用还降低了煤炭开掘的成本，为煤炭企业增加了利润，平均每年可增加100万元的直接经济收益。

综上，将本文研制的皮带输送机控制系统应用到煤矿企业中，在解决了该矿生产需求的同时，还解决了工作效率低、安全性能得不到保障以及能源消耗较高等问题，值得在该企业广泛推广。

5、结语

针对煤矿皮带输送机的传统监控系统存在的问题，采用PLC作为控制核心，将以太网通信和传感技术相结合，设计了一种高可靠性、功能全面的矿用皮带输送机智能远程监控系统，利用智能监控系统中PLC控制单元的结构，实现了对皮带输送机启动、现场及运行工况的实时显示和控制调整，及时对运输过程中的各种故障进行报警和处理，确保皮带输送机在远程监控条件下安全可靠地运行。

参考文献:

[1]张斌矿用皮芾运输机远程监控系统设计与研究[J]机械工程与自动化, 2022(1):192-193, 196.

[2]李宏伟,李璐,曲兵妮,等基于RS485和CAN总线的皮带输送机监控系统设计[J].煤炭工程, 2017,49(7):18-21.

[3]田维维皮带输送机故障分析及监控系统的应用[J]西部探矿工程, 2021,33(3):114-115,118.

文章来源:郝浩.矿用皮带输送机远程监控系统的设计与研究[J].机械管理开发,2023,38(10):184-185+188.