煤矿主皮带远程监控系统的设计与实现

魏灵宝

（太原煤气化有限责任公司东河煤矿，山西 临汾 041207）

引言

煤矿井下主皮带运输机具有操作简单、维修便利及运输量较大等优势，已在国内大部分矿井投入运行，但其运输距离较长，在实际应用中会出现皮带断裂、脱轨、打滑、减速装置轴承断裂及堆煤等问题，降低了煤炭的生产效率，并且会对工作人员的人身安全造成威胁。针对上述问题，本文设计了一套稳定性高、传输速度快的主皮带远程监控系统，该系统具备故障实时监测与报警功能，可显著提高煤炭运输效率，降低检修成本，对于矿井生产具有较大的经济价值。针对传统监控系统设计逻辑复杂，自适应效果差等问题，有学者提出了一种基于PLC 编程的监控系统，仿真结果表明该系统的实用性与数据传输速度得到较大提高。本文在此基础上提出了一种改进远程监控系统的设计方案，以进一步提高主皮带运输机的运输性能，保障工作人员的人身安全。

1 监控系统总体设计

综采工作面采得的煤炭首先通过刮板输送机运输到巷道，随后经一号皮带运输机输送到一号煤炭存储仓库，然后将煤炭运到二号运输机，输送到二号煤炭存储仓，以此类推，煤炭被运输至三号皮带运输机，最后所有煤炭被集中存储在总仓库。根据这一运输过程，本文将皮带监控系统分为三个控制级，如图1 所示为本文所设计的矿下主皮带远程监控系统，从上至下依次为主站级控制、分站级控制及设备级控制。主站级控制由远程监控主机与控制主站组成，通过基于传输控制/互联协议的通信方式实现对三个控制分站的控制，并将三台皮带运输机所有数据以传输控制/互联协议的通信方式返回到远程监控主机，从而实现皮带状态、参数、故障及所有设备的工作状态的显示功能；分站级控制则由三个控制分站与变频器组成，可用于接受传感器信号、监测故障信号，并对皮带运输机的传输速度进行控制；设备级控制即指皮带运输机的控制系统，其传感器可传输监测堆煤、皮带断裂等信号[1-3]。

图1 矿下主皮带远程监控系统总体设计框图

2 监控系统的硬件设计

德国SIEMENS 公司生产的PLC 产品在金属、化工、煤矿等行业的应用技术已较为成熟，其PLC 产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400、S7-1500等。根据上一小节所设计的矿下皮带监控系统总体设计方案，本系统选用可满足小规模性能需求的S7-300型PLC 可编程控制器实现多级远程监控系统控制，S7-300型PLC 适用于复杂系统的控制，该控制器可利用自带的两端口传输控制/互联协议通信功能实现远程监控主机与控制分站的通信功能，无需额外通信模块。该控制器为直流24 V 供电模式，电源采用恒定10 A 电流模块。变频器则选择瑞士ABB 公司的ACS 800-37，利用该变频器与PLC实现对皮带运输机传输速度的控制。根据上位界面需显示的参数与控制参考值，对模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出数量进行统计，外接了数量足够的信号输入输出模块，完成对控制主站与分站的控制。如表1 所示为远程监控系统的输入/输出地址。

表1 矿下皮带远程监控系统输入/输出地址

3 远程监控系统的软件设计

3.1 PLC 主程序功能

通过PLC 编程实现的皮带远程监控系统程序应具备多个功能，包括初始化、程序检测、频率控制、传输控制/互联协议通信、故障识别、模拟量与数字量处理等功能。如图2 为矿下主皮带远程监控系统整体的控制流程：首先判断是否发生远程故障，若发生远程故障则进行就地操作，无远程故障则判断设备是否发生故障，若有故障则进行检修处理故障，无故障后则进入控制模式选择；控制模式有就地、集控及检修三种模式，分别对应就地、远程及检修操作。选择就地操作与远程操作后再选择启动方式，可分别控制三台皮带运输机。故障识别程序可对温度过高、堆煤、脱轨、断裂、烟雾及打滑等现象进行识别，当识别出发生故障时，在上位机软件上会显示报警信息与故障类型，从而确定处理故障的对应措施[4-5]。

图2 矿下主皮带远程监控系统流程图

3.2 监控系统的上位机软件设计

如图3 所示为矿下主皮带远程监控系统采用的上位机软件界面，其通过传输控制/互联协议通信功能实现对三台皮带运输机传感器传输信息的获取，将这些信息显示在软件界面上可进行实时控制。软件界面中间显示了三台皮带运输机的设备状态，并可分别对三台皮带机与两台给煤机进行启动、停止或急停操作；软件界面右上角有模式与启动方式的选择功能；最下方有三台运输机、报警显示、参数设置及用户登录七个选项，可快速进行界面选择，以实时观测所需信息。

4 应用效果分析

在国内某矿场的综采工作面2-1 对本文所设计的矿下主皮带远程监控系统进行时长半年的应用试验，并对故障频率、数据传输速度、设备损坏数量等数据进行了记录与分析。数据显示所设计的监控系统与传统系统相比，实时跟踪性能大幅提高，故障频率下降40%以上，煤矿的生产效率提高45%。

5 结语

随着PLC 编程技术在多个行业的成熟应用，将其应用于矿下主皮带远程监控具有明显优势，本文所设计的基于PLC 编程的皮带远程监控系统通过将系统控制分为主站级控制、分站级控制及设备级控制，可实现矿井下生产效率、安全性、稳定性的显著提高，所设计监控系统与传统系统相比，可显著提高数据传输速度、稳定性、实时监控性能，对煤矿的生产效率与检修人员的人身安全具有较大的现实意义[6-7]。