基于PLC控制器的矿用带式输送机监控系统研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：山西省科技厅青年基金资助项目（）作者简介：高海峰（），女，山西吕梁人，副研究员，年毕业于北京农学院，现从事市科技创新发展服务中心工作。引用格式：高海峰，杨中庆，杜双利 基于 控制器的矿用带式输送机监控系统研究 能源与环保，（）：，（）：，基于 控制器的矿用带式输送机监控系统研究高海峰，杨中庆，杜双利（吕梁市科技创新发展服务中心，山西 吕梁 ；吕梁职业技术学院，山西 吕梁 ；太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 ）摘要：在对矿用带式输送机结构及原理进行概述的基础上，设计了设备的监控系统。系统使用 型 控制器，为系统的核心构成部分，利用传感器检测得到的数据信息和各类开关量信号需传输到控制器中进行综合处理。系统的监测点可分为 类，分别为设备监测点、保护监测点和环境参数检测点。基于模块化思想对软件程序进行设计，利用 触控屏对设备状态进行显示。将监控系统应用到工程实践中，通过现场调试确认了系统的各项功能。投入应用后使得设备的故障率以及故障处理时间均显著降低，达到了预期效果。关键词：控制器；带式输送机；监控系统；模块化设计中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：，：；带式输送机是工业中非常重要的输送装备，特别适合散装物料的长距离运输，所以在煤矿开采领域拥有非常广泛的应用。随着煤矿领域技术水平的不断提升，煤矿开采效率日益提升，对煤矿输送速度及效率提出了更高的要求，带式输送机作为煤矿中重要的辅助运输装备，对性能要求越来越高 。保障输送机的稳定可靠运行，是提升其运行效率的重要基础，通过对设备的运行状态进行监控，是提升运行可靠性的重要手段。所以很多学者和技术人员对煤矿中使用的输送机监控系统进行了分析研究，取得了一定的成果 。文灵等 利用当前非常先进的机器视觉技术，实现了带式输送机故障的远程监测，能及时发现设备存在的故障问题，为设备的正常运行奠定了坚实的基础。丁秀荣等 重点关注带 年第 期能源与环保第 卷式输送机的滚筒，设计了滚筒故障检测系统，可对滚筒存在的问题进行准确检测。唐文杰 以带式输送机的运行状态为研究对象，设计了智能监控体系，为工作人员及时掌握设备的运行状态提供了很好的支撑。本文在分析以上研究成果的基础上，结合实际情况，设计了基于 控制器的带式输送机监控系统，通过实践调试测验发现达到了预期效果。带式输送机及监控系统概述 带式输送机结构带式输送机虽然有很多型号，但不同型号的总体结构基本类似，带式输送机的结构如图 所示。由图 可知，带式输送机结构方面主要由电机、减速器、联轴器、传动滚筒、改向滚筒、导料槽、托辊、张紧装置以及胶带等部分构成。设备运行过程中，由电机输出的动力，经传动系统输入到驱动滚筒中，驱动滚筒与胶带之间紧密接触，通过摩擦力对动力进行传输，进而实现胶带的循环往复运动，达到对胶带上方煤矿物料进行运输的目的 。带式输送机打滑、跑偏、断带等是经常出现的故障问题，一旦出现以上问题，会影响设备的运行稳定性，甚至产生严重的安全生产事故 。所以需要通过监控系统对设备的运行状态进行实时监测，以便及时发现运行中存在的安全隐患。图 带式输送机的结构 监控系统主要功能带式输送机监控系统主要作用是对设备的运行状态进行实时监测，以便及时发现存在的问题并发出警告 。可监测的问题主要包括胶带打滑、胶带撕裂与断裂、胶带跑偏、胶带堆码、托辊卡死、胶带张力过大、胶带抽动等，以上问题需要借助各类专业的传感器实现。系统中设置有急停按钮，特殊情况下可通过该按钮对设备进行紧急停机处理，实现设备和人员的保护。带式输送机启动后，监控系统开始运行，首先对各类传感器的状态进行检测，确保能够正常工作。利用传感器检测设备的运行状态并分析设备是否存在故障问题。若存在故障，但仍然在安全范围内，则系统对问题进行自动调整。若故障问题较严重，需要对设备进行停机。带式输送机监控系统结构如图 所示。图 带式输送机监控系统结构 监控系统的硬件部分设计 主控模块分析对于带式输送机监控系统而言，主控模块是最关键和核心的构成部分，其质量好坏直接影响整个系统的综合性能 。设计的系统可实现远程监控，远程监控系统的闭环结构如图 所示。由图可知，远程监控系统为闭环结构，系统运行时利用测量元件对被控对象的输出参数进行检测，并经过 模块转换后输入到控制器中，控制器根据测量结果与设定结果进行对比，根据两者之间的差值输出控制变量，由执行机构产生动作，确保被控对象的运行参数在合理区间内。图 远程监控系统的闭环结构示意 系统中使用的是 控制器，目前市面上有多种型号的 控制器，各型号控制器均有对应的优缺点。在分析系统实际需求的基础上同时考虑性价比，选用 型 控制器。此型号控制器在工业领域具有非常广泛的应用，运行性能已获得实践检验，具有控制精度高、运行稳定等纵多优势。控制器的硬件结构方面采用模块化设计，即控制器由 年第 期高海峰，等：基于 控制器的矿用带式输送机监控系统研究第 卷不同的模块拼装而成，其中最重要的是 模块，负责数据运算，运算速度直接决定着控制器的综合性。还包括数字量输入模块、模拟量输出模块、数字量输出模块、电源模块等。控制单元的结构如图 所示。可以看出，控制器是控制单元的核心构成部分，各种开关量状态、指示灯状态、传感器检测获得的数据信息、电表参数信息等都通过输入单元输入到 主机中，然后进行综合分析处理，判断带式输送机的运行状态，确定是否存在安全隐患或故障问题。控制器根据分析结果对操作开关、保护装置、变频器、指示灯和警铃等进行控制，实现带式输送机运行状态的调整以及声光报警。主机通过交换机与监控计算机、控制屏进行连接，可以实现远程监控。主要硬件接线图带式输送机监控系统对设备运行状态进行监测时，设置的监测点可分为 种类型，分别为设备监测图 控制单元的结构框 点、保护监测点和环境监测点，监控系统监测点的布置情况如图 所示。设备监测点主要是对冷却风机、张紧装置、除尘器、制动器、变频器、减速器、电动机以及滚筒的状态进行监测；保护监测点主要是对胶带张力、打滑、撕裂、断裂、跑偏、堆料等问题进行监测；环境监测点主要是对设备周围的烟雾和温度进行检测，以保障环境安全。图 监控系统监测点的布置情况 包括上述的各类监测装置在内，系统中所有的硬件装置都需要进行接线，以下主要以系统中比较重要的 控制器为对象，介绍其接线图。系统中使用的 控制器，除基本的模块以外，主要由 大部分构成，分别为拓展模块 和 核心模块。根据 输入和输出接口的配置情况，对 控制器的电气电路进行了设计。硬件通信连接数据信息的快速、准确通信是带式输送机监控系统正常运行的基础，系统只有在获取准确数据的基础上才能正常工作，因此硬件的通信连接对于系统而言也非常重要。系统中使用的是两线式 总线网络，可有效保障数据传输过程的可靠性，避免出现数据丢失问题，通信网络的拓扑如图 所示。图 通信网络拓扑 监控系统的软件程序设计 控制器程序设计 控制器软件程序由 编程平台完成。对主程序进行设计前，首先需要结合现场情况以及监控系统实际需求，对软件程序整体方案进行设计，重点需要对站点分布、网络组态以及硬件配置等进行设计。由于带式输送机的运输距离较长，所以需 年第 期能源与环保第 卷要用到监控分站，软件程序编写时需要建立各个分站之间的数据通信。控制器的软件程序整体采用模块化思想进行设计，由一个主程序和多个子程序构成。子程序的数量根据实际需要确定，每个子程序对应一个具体的功能，主程序运行时可以随时调取对应的子程序。控制器的主程序流程如图 所示。由图可知，控制器主程序开始运行以后，首先需要对系统进行初始化处理，作用是对各硬件参数的进行设置。然后对硬件及程序进行自动化检测，确保各硬件及程序都能够正常运行。进而选择不同的控制模式并启动带式输送机的开车信号。系统运行过程中，如果出现了急停信号、保护开关动作信号或者停止信号，系统将会执行对应的动作，分别进行紧急停车、故障停车和正常停车，若没有以上停车信号，系统继续正常运行。图 控制器的主程序流程 整个程序包含多个子程序，控制器中 个重要的子程序的梯形如图 所示。其中 号子程序由多个部分串联而成，包括停止按钮、总启动接触线圈以及急停按钮常闭触电，未通电前总启动标志为常开状态，当启动器通电开始运行以后，总启动标志位触点闭合，完成启动闭锁功能，也可通过手动方式实现该功能。号子程序为设备的启动程序，当得到启动命令后，电机的常开触点正式闭合，电机通电后启动工作。号子程序为急停指示程序，设备正常运行时触点处于常开状态，在急停停机状态下触点闭合，指示灯亮起。号子程序为设备周围环境温度警示程序，该程序设定有温度安全阈值，利用传感器采集到的温度信息，进入该子程序后进行分析，判断是否超过了安全值，若超过安全值则会显示火灾报警信号，提示工作人员进行处理。号子程序为带式输送机运行状态的指示程序，带式输送机胶带沿线布置的各类传感器检测得到的数据信息，都要传入该程序进行分析判断，包括跑偏传感器、打滑传感器、限位传感器、拉绳开关、撕裂传感器等信息，一旦传感器的检测信息与系统设定的安全阈值范围相冲突时，子程序中的故障灯会亮起，表明设备沿线出现了故障问题。图 控制器 个子程序的梯形 年第 期高海峰，等：基于 控制器的矿用带式输送机监控系统研究第 卷 程序调用程序运行时需要对传感器采集得到的模拟量进行调用，所谓模拟量调用主要是利用设定的程序对模拟量信号进行转换，将其转换成为数字量信号，才能输入到控制器中进行分析处理。转换时需要确定标准模拟量信号上限和下限值，以及上限和下限值对应的物理量大小，位于上限和下限值中间的数值按比例转换。以带式输送机滚筒运行温度的检测为例进行介绍。温度传感器检测获得的是标准电流模拟量信号，传感器输出的电流范围为 。当输出电流为 时，对应温度为 ，当输出电流为 时，对应温度为 。将模拟量信号转换为数字量信号过程中，电流为 时对应的数字为 ，电流为 时对应的数字为 。那么，当传感器输出的模拟量电流信号为 时，对应的温度为，转换得到的数字量大小为 。除温度信号外，输入控制程序的检测信号还包括电机电流、电压信号，电机旋转速度信号等，都需要按照上述模式对其进行数字量转化，只有完成数字量转化后才能被控制器接受并处理。监控界面设计系统配备有监控屏幕，以显示带式输送机的运行状态，工作人员可通过显示屏幕查询设备历史数据信息，并对其进行控制。系统中选用的是 精致控制面板，具体型号为 。显示屏能进行彩色显示，亮度可以根据需要进行调节，分辨率达到 万，可触摸控制。所用的显示面板可以利用博图软件对其界面进行设计。研究的煤矿输送路线共包含 条带式输送机，因此监控系统需要同时对 条输送带进行监控。监控界面划分为 大部分，第 部分为总监控，包括启动指示灯、故障指示灯、急停指示灯以及 条带式输送机的故障指示灯，同时可对 条带式输送机的最高运行速度进行设定。第 部分分别为 部设备的运行状态指示，包括启动指示、故障指示、急停指示和火灾报警指示，同时界面对关键的运行信息进行显示。考虑到监控屏幕尺寸有限，监控界面显示的是部分状态监测信息，其他数据信息可以通过查询的方式获取。监控系统的调试及其应用分析 系统的调试分析为验证系统的有效性，根据上文的设计方案，将系统应用到煤矿工程实践中，并对其性能进行了调试，重点从通信功能、监控功能以及故障报警功能方面进行了分析。（）通信功能调试结果。对系统中使用的 通信程序进行了现场调试，过程中发现数据传输存在长传不完整、数据通信失败等问题。结合问题实际，对通信程序进行调整修改，调试后的通信程序能够实现数据的稳定可靠传输。连续 次对数据传输过程进行测试，发现数据都能正常传输，监控界面可以及时刷新监测数据，没有出现数据掉帧、掉线等问题。（）监控功能调试结果。系统调试过程中发现上位机的监控大屏能实时显示带式输送机的运行状态，可以对电机及减速器温度、胶带运行速度和张紧力、电气设备的电参量信息等进行实时展示，各种状态参量的监测误差可以控制在 范围。在上位机上可下达指令对井下的带式输送机进行远程控制。（）故障报警及其定位功能调试结果。调试过程中，利用闭锁开关、信号发生器以及直流电源等模拟了不同的故障问题信号，并将信号输送到 控制器中，控制器能及时辨别带式输送机的故障问题，并下达指令进行声光报警，且能够对故障问题进行准确定位。调试时发现系统的响应时间可控制在 内，定位精度也能满足实际使用要求。系统应用效果分析完成带式输送机监控系统调试工作后，将其正式投入应用，目前系统已经应用 个朦朦胧胧。通过对应用监控系统前后的现场数据进行对比发现，系统应用后，有效提升了设备的运行效率，降低了设备的运行故障率。应用系统以前，矿井中的带式输送机平均每月出现 次故障，使用系统后每月故障率降低到了 次。另外，设备故障处理时间由应用系统前的 月降低到了当前阶段的 月。监控系统的投入应用降低了现场工作人员的数量，系统应用前每班为 人，使用系统后每班为 人。结论以煤矿中重要的辅助运输装备带式输送机对研究对象，结合实际情况对设备的监控系统进行了深入设计与研究，所得结论如下。（）监控系统以 控制器为核心，使用的控制器型号为 型，各类开关量信号和传感器信号经过控制器分析后下达监控指令，对声光报警装置、保护装置等进行控制，确保带式输送机的运行状态在合理范围内。（）监控系统采用闭环控制，以提升控制的精度。当检测发现（下转第 页）年第 期高占峰：开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究第 卷制技术 煤炭科学技术，（）：，（）：侯朝炯，王襄禹，柏建彪，等 深部巷道围岩稳定性控制的基本理论与技术研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：柏建彪，王襄禹，贾明魁，等 深部软岩巷道支护原理及应用 岩土工程学报，（）：，（）：方新秋，赵俊杰，洪木银 深井破碎围岩巷道变形机理及控制研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：付玉凯，王涛，孙志勇，等 复合软岩巷道长短锚索层次控制技术及实践 采矿与安全工程学报，（）：，（）：杨仁树，朱晔，李永亮，等 坚硬顶板条件下裸顶巷道煤帮稳定性分析及控制对策 采矿与安全工程学报，（）：，（）：刘爱卿 刀柱式采空区下坚硬顶板控制技术研究 能源与环保，（）：，（）：，宋振铎，迟焕磊，刘思程，等 综采工作面回撤通道围岩支护稳定性分析 能源与环保，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）设备存在故障问题时，若问题较小系统对其运行状态进行调整，使其回到正常状态，若问题较大无法调整，则进行声光报警并紧急停机，保障设备安全。（）软件程序基于模块化思想设计，由一个主程序和多个子程序构成，每个子程序实现一个功能，这种设计思路便于后期的程序维护。将监控系统应用到带式输送机工程实践中，对各项功能进行调试后发现都能够正常工作。系统的成功实践应用，使得带式输送机的故障率大幅度降低，故障处理时间大大缩短，创造了很好的安全效益和经济效益。参考文献（）：刘妍萍 矿用带式输送系统应用研究 能源与环保，（）：，（）：闫军伟 带式输送机故障分析及监控系统的应用 矿业装备，（）：，（）：文灵，谢元媛 利用机器视觉远程监测煤矿带式输送机故障 能源与环保，（）：，（）：丁秀荣，薛正福，王芝兰 矿用带式输送机滚筒故障检测系统应用研究 能源与环保，（）：，（）：唐文杰 带式输送机运行状态智能监控体系的研究 机械管理开发，（）：，（）：王志广，王朋飞 变频控制系统在矿用带式输送机中的应用 能源与环保，（）：，（）：兰天安 矿井胶带输送机故障分析及智库体系建设 能源与环保，（）：，（）：宋凯 矿用带式输送机智能监控系统设计与研究 机械工程与自动化，（）：，（）：靳世伟 基于 的矿用胶带机监控系统设计与应用研究 矿业装备，（）：，（）：