煤礦帶式輸送機運行監控系統設計

鄧 鑫

（同煤集團馬脊梁礦， 山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機作為實現煤礦有序開采的重要組成部分，是確保煤礦實現高產以及確保其結構具有良好運行性能的關鍵基石[1]。但是，由于相對復雜的地下環境以及帶式輸送機本身存在的一些問題，使得帶式輸送機在作業時經常會發生皮帶跑偏、機身劇烈振動、機體溫度過高等各種問題，嚴重影響設備和煤礦井下作業的正常進行，甚至還會造成事故影響井下工作人員的人身安全[2]。因此，為了解決上述問題，同煤集團馬脊梁礦提出在運輸機上設計一個監控系統，通過對帶式輸送機運行過程中出現的故障問題進行分析，從環網系統、變頻器及運輸系統等方面對帶式輸送機運輸監控系統進行了設計。

1 帶式輸送機運輸系統結構

帶式輸送機是煤礦作業過程中必須用到的關鍵設備，主要由皮帶、齒條、制動器、驅動器、驅動馬達、滾筒等部件組成，而帶式輸送機的運輸監控系統又是保障煤礦輸送機正常運行的重要系統。輸送設備主要負責對帶式輸送機機在井下作業過程中發生的各種故障進行實時監測，然后找出故障原因并進行故障排除，以實現運輸設備的正常工作。與傳統的帶式輸送機相關監控系統的結構組成相結合，新設計出的監控系統主要包含三個子系統，分別為設備系統、管理系統和控制系統。三大系統之一的管理系統主要包括配置軟件和上位機部件。它主要是負責整個監視系統的實時監視，并通過對設備的運行狀態的判斷來發出相關的控制命令，顯示設備的實際運行狀態，并存儲和更新各種類型的數據。控制系統則主要是由PCL控制器、變電站和防爆箱組成。它是整個系統的處理中心，功能主要包括對信號進行接收處理與分析，故障保護和現場數據顯示保護。設備系統主要是由各種傳感器和其他負責執行命令的設備組成，主要收集系統的操作動作和故障點的參數和狀態響應，并在帶式輸送機作業過程中對出現的諸如皮帶跑偏、溫度上升和劇烈振動等故障信號及時上傳與執行。因此帶式輸送機的運輸監控系統便是通過這三個系統之間的密切配合來達到故障監測與清除的效果。帶式輸送機監控系統的組成如圖1所示。

圖1 運輸監控系統的組成

2 帶式輸送機監控系統功能設計

2.1 防跑偏功能

帶式輸送機在煤礦井下作業過程中，由于一定時期內各個方向上的離心力對運輸皮帶產生作用，會使得皮帶偏心軸線偏離了原有的運輸和軌道中心線，由此導致皮帶跑偏現象的發生。帶式輸送機在運行過程中出現皮帶跑偏故障的原因主要有三點：帶式輸送機運行中滾筒偏移；運輸皮帶直接接觸到的煤炭規格的不同導致的沖擊力不平衡；安裝過程中皮帶的相對位置沒有受到嚴格控制。當皮帶出現跑偏打滑時，不僅會給皮帶本身及運輸設備帶來較大損害，更嚴重者還會造成煤礦井下作業危險事故的發生，影響技術人員的人身安全。因此，在運輸監視系統中要加入防跑偏裝置的相關設計。當皮帶發生打滑或是跑偏時，監控系統會進行報警或停機處理，從而保障設備的安全運行，延長設備的使用壽命。

2.2 急停保護功能

由于相對復雜的煤礦作業環境以及運輸皮帶和其他相關設備的高強度運行，皮帶會很容易出現磨損或破裂，并且部件會出現異常運行。在設備的高強度運行下，無法提前預測故障出現的位置。為了應對這種不可預測的故障，在皮帶運輸監控系統中加入了急停保護功能的設計，該設計主要是通過裝串聯接觸開關實現的。設備的某個部件發生故障時，控制設備將在設備的急停中立馬執行對故障操作的中斷命令，使得設備和工作人員都得到安全保障。

2.3 打滑保護功能

在皮帶運輸設備的長期運行過程中，由于井下作業環境的影響以及皮帶本身的材料質量的欠缺，皮帶與滾筒之間的摩擦會逐漸減小或完全消失，從而出現了皮帶的打滑。皮帶的打滑不僅會增加皮帶的磨損程度，還會導致結構局部發熱并產生火花，這很可能會引起諸如地下氣體爆炸等安全事故的發生。因此，在皮帶運輸監控系統中，必須加入皮帶打滑故障保護的設計，其主要是通過在皮帶或滾筒處安裝速度傳感器。當皮帶發生打滑時，監控系統會生成相應的故障報警信號，從而快速解決問題。

3 皮帶運輸監控的方案設計

3.1 總體方案

對運輸監控系統的設計是基于帶式輸送機的結構特點而實現的。現有的帶式輸送機控制系統配備了監控設備、網絡交換機、PLC控制器等，因此可以通過以太網來連接地面調度中心和PLC控制器。PLC控制系統下設了三個控制子系統，包括1號集中控制室子系統、2號煤倉頂子系統、3號地下防爆箱子系統等。這三個系統各司其職，分別實現數據傳送、監控煤礦倉頂及控制輸送機尾部設備等。同時，在運輸設備的皮帶兩側，分別設計了速度傳感器、串聯式觸點開關、跑偏報警裝置、各類傳感器等保護設備，從而組成了皮帶運輸的監控系統。此外，PLC控制器與上位機之間的交流主要通過以太網進行連接而實現，PLC主系統與子系統之間的連接方式也是以太網總線電纜。當兩者間距離過長時，光纜可用于通訊連接，滿足系統的抗干擾和通訊要求。圖2為帶式輸送機運輸監控系統的總體框架。

3.2 變頻器設計

變頻器是運輸監控系統中的關鍵組成部分。本研究的設計中選用了SKI780變頻器。該型號變頻器的實際構造如圖3所示。之所以選用該品牌型號是因為其具有變頻范圍大、可靠性強、靈敏度高等優點，通過該變頻器實現與外部以太網、電纜和光纜的快速對接和通訊。同時，當設備連接到PLC控制器時，模擬信號在A/D模塊進行切換，并且輸出信號會以2～20 mA的形式輸入到變頻器的模擬輸入端子系統中。這實現了對逆變器輸出功率頻率的控制，且操作較為簡便。

圖2 帶式輸送機運輸監控系統總體框架圖

圖3 SKI780變頻器實物圖

3.3 環網系統設計

在整個運輸監控系統中，一共有一個主系統和三個子系統，且各系統間的連接都是用以太網的形式進行。因此環網系統的設計要考慮增設光電交換機，從而在光和電的轉換作用下，形成一個復雜的環網系統。下頁圖4則是環網的框架流程圖。在這個環網系統中，主系統上的交換機在內部進行連接交換后再和信息平臺上的信號進行交接，再傳輸到調度室中，PCL控制器和監控中心的信號連接就是通過上述過程實現的。

4 現場試用效果分析

基于以上分析，實現了帶式輸送機中運輸監控系統的整體設計。為了解其實際運行效果，在同煤集團馬脊梁礦井下進行了實際應用，主要是將監視系統設計加入井下的皮帶運輸機上，并對兩者間的兼容性進行調試。為保證試驗結果的準確性，現場的應用測試時間長達半年。最終的現場應用結果表明：運輸監控系統一直處于正常穩定的運行狀態。它可以及時捕獲并準確掌握帶式輸送機在實際工作過程中發生的皮帶跑偏或打滑及設備振動幅度過大等故障信息，并且在故障出現的第一時間進行報警響應，當分析出故障較為嚴重時，還能直接啟動緊急停止開關，使皮帶運輸機立刻停止工作，避免嚴重事故發生。對其工作效果進行分析發現，該監測系統降低了約一半以上的故障率，故障檢修時間節約了一半。在這半年的試用期內，每臺機器為企業節約了一萬元的經營支出。因此該監控系統值得推廣應用。

圖4 環網系統框架流程圖

5 結論

改進后的系統已在同煤集團馬脊梁礦進行了試用。試用結果表明，該皮帶運輸監控系統不僅可以實現穩定運行，還能準確及時地監控皮帶運輸機的實際工作狀況，當有故障出現時可快速做出響應，故障排除時間明顯縮短，有效降低了企業的經營成本。該運輸監測系統的應用有效提高了皮帶輸送機的作業安全性能，具有極大的推廣應用價值。