礦用帶式輸送機作業中安全隱患預警系統的設計與應用

張海鵬

（山西陽城陽泰集團竹林山煤業有限公司， 山西 陽城 048105）

引言

煤礦作為推動國家經濟快速發展的重要能源，在當前高產能情況下，國家及企業越來越重視煤礦的開采效率及開采安全性。帶式輸送機作為煤礦開采中的重要設備，具有輸送效率高、運輸量大等特點，在煤礦開采作業中起到了至關重要的作用[1]。但由于井下環境的惡劣性、煤灰量較大，加上作業時經常會有較大的外界沖擊載荷對設備進行沖擊作用，導致輸送機出現了皮帶撕裂、斷帶、跑偏、打滑、電機燒壞等故障事故，帶式輸送機事故一旦發生事故，將會造成重大的安全事故[2]。在當前先進控制技術高速發展的環境下，實現對帶式輸送機作業過程中安全隱患故障的提前判斷和預警，已成為提升帶式輸送機智能化開采的重要方向。為此，在分析當前帶式輸送機異常失效故障的基礎上，開展了一套安全隱患預警系統的總體設計及關鍵模塊的設計研究，通過對預警系統的現場應用測試，驗證了此系統的可行性，這對提升帶式輸送機的作業效率及井下作業安全性起到重要保障作用。

1 帶式輸送機作業時主要失效故障分析

據調查統計，每年全國的各大煤礦中帶式輸送機均出現了不同類型的故障失效現象，也造成了不同程度的人員傷亡或經濟損失[3]。如：石槽村煤礦中，帶式輸送機則出現了滾筒變形、電機燒壞、皮帶斷裂、皮帶撕裂、跑偏、人員誤操作等失效現象；王家山煤礦中帶式輸送機也出現了打滑、跑偏、撕裂、電機異常等失效現象，其他煤礦也出現了不同程度的失效異常現象[4]。通過統計分析，導致帶式輸送機出現各類故障類型及原因基本相同，如：打滑故障主要是由于皮帶與滾筒之間的初始張力和摩擦力不夠，導致摩擦接觸處出現了煙霧，同時上部的煤炭運輸量較重也導致機頭出現了過載現象，導致皮帶速度降低和打滑。跑偏現象則是因為皮帶長時間處于磨損狀態，出現了帶邊拉斷現象，同時，皮帶安裝接頭由于長時間的作業出現了中線度偏移現象，出現了跑偏故障[5]。電機燒壞則是電機長時間處于超負荷狀態作業，加上井下聚集的大量煤灰進入電機內部，電機自身散熱能力下降，電機自身電氣元件的損壞等，導致電機被燒壞[6]。針對此項故障失效類型，需設計相應的傳感器檢測元件及預警系統，實現對各類故障現象的提前預警檢測，以此降低帶式輸送機的故障失效概率。

2 安全隱患預警系統的總體設計

在分析帶式輸送機常見故障類型的基礎上，開展了帶式輸送機上安全隱患預警系統的設計研究。該系統包括了WEB 信息庫層、WEB 服務器層、WEB瀏覽器層等，其中，瀏覽器層包括了PC 移動端、監控技端、PC 端、井下工作人員PC 端等，主要負責對設備采集數據信息及狀態的實時顯示和監控；服務器層則包括了用戶管理模塊、安全隱患預警及處理模塊、安全評價模塊、歷史預警信息模塊等，是整個預警系統的核心部分，可通過采集數據信息，利用專用算法，對帶式輸送機的作業狀態及故障類型進行判斷、安全等級評價、故障類型顯示及故障解決措施輸出等操作，當判斷結果超過相應閥值時，預警系統也將發出相應的聲光報警提示，整個系統內部的程序代碼利用JAVA 進行編寫。而系統的終端采集單元則包括了速度傳感器、煙霧傳感器、堆煤傳感器、跑偏傳感器、溫度傳感器、撕裂傳感器等，其被安裝在帶式輸送機皮帶的相應部位，通過在內部設計相應的閥值，可實現對帶式輸送機中打滑故障、跑偏故障、撕裂故障、堆煤故障、電機故障等方面所需的數據進行全方面采集，以供服務器對采集數據的判斷分析。整套安全隱患預警系統的總體方案如圖1 所示。

圖1 安全隱患預警系統總體方案圖

3 預警系統中關鍵模塊的設計

3.1 系統主界面的設計

系統主界面是整個預警系統的關鍵，因此，在主界面設計中，設計了功能模塊菜單欄、作業現場顯示區、預警及處理顯示區、評價等級區域、隱患發生率顯示區等，其中，菜單欄中設計了用戶管理與幫助功能、安全隱患預警及處理功能、安全評價及預警功能、歷史預警信息功能等，通過點擊此功能模塊，進入相應的子菜單區域；同時，評價等級區則通過設計計算算法，對帶式輸送機每月的安全可靠度進行綜合評價，并以柱狀圖和百分比形式進行展現。隱患發生率區域則通過分類匯總方式，對帶式輸送機中各類故障類型的發生比率進行顯示。由此通過各大模塊的相互配合，完成對帶式輸送機作業狀態及安全隱患的預警顯示。系統主界面顯示效果圖如圖2 所示。

3.2 預警及處理模塊的設計

預警及處理模塊是整個系統的核心采集及判斷模塊。在此模塊設計中，以打滑故障為例，主要在帶式輸送機上設計安裝了速度傳感器、煙霧傳感器、堆煤傳感器等檢測設備，這些設備在對輸送機進行實時檢測后，將檢測數據與設置的相應閥值進行對比判斷，當檢測值超過閥值時，此模塊將通過內部算法與提前建立的案例庫進行對比，找到對應的故障類型和故障編碼，進一步找到相應的解決對策編碼和實際措施，通過顯示界面將相應的故障隱患與對策進行實時顯示，同時，預警系統發出相應的聲光報警提示。人員根據報警提示和界面顯示內容，對帶式輸送機進行相應的操作控制，并進行銷警和數據記錄，以為安全評價模塊及預警模塊提供相應的數據支持。預警及處理模塊的流程圖如圖3 所示。

圖2 預警系統主界面效果圖

圖3 系統預警及處理流程圖

3.3 歷史預警信息模塊的設計

歷史預警信息模塊主要負責將預警系統中的相關數據、故障類型及故障對策等信息進行實時保存，所有信息主要來自與前端的預警及上機位的數據收集，各類數據信息匯總后將根據不同年月日進行分類保存。整個模塊的保存內容包括：故障類型、故障征兆、故障對策、發生區域、銷警時間、處理結果等內容。歷史預警信息顯示界面如下頁圖4 所示。整個模塊采用了MySQL 數據庫進行數據收集及分類匯總，人員通過點擊不通過功能按鈕，查詢相關信息。同時，若帶式輸送機上的某故障未進行及時處理，此查詢結果中將會出現紅色的未處理字樣，以實現對故障的提示。

4 預警系統實際運行測試

在完成帶式輸送機安全隱患預警系統的總體設計后，為驗證該系統的實際運行效果，將其在DSJ120 型帶式輸送機中進行了兼容應用測試，主要是將該系統與帶式輸送機控制系統進行集成應用，重點對系統中的故障類型數據采集效果及速度、安全等級評價及顯示、故障類型輸出及解決措施等方面進行了實際測試，測試周期為6 個月，現場應用效果圖如下頁圖5 所示。應用結果表明：該預警系統運行正常，能實時通過各類傳感器將相關檢測數據進行傳輸和比較判斷，系統響應快速，通過算法計算后，能準確地將故障類型及故障解決措施進行實時輸出和顯示，達到了預期效果。據人員分析，該預警系統的成功應用，不僅降低了帶式輸送機的故障發生率，也提高了井下作業安全，人員只需采用遠程方式便可對帶式輸送機進行監控，降低了人員的勞動強度。由此，驗證了該預警系統的可靠性及可行性。

圖4 歷史預警信息顯示界面圖

5 結論

將當前更加先進的自動化控制技術應用到帶式輸送機中，實現帶式輸送機作業時的提前預警，成為當前提升帶式輸送機綜合性能的關鍵方向。為此，在分析帶式輸送機關鍵故障類型及原因的基礎上，開展了輸送機中安全隱患預警系統的總體設計及關鍵模塊研究，并將預警系統在DSJ120 型帶式輸送機中進行了集成應用測試，測試結果表明：該預警系統運行良好，實現了帶式輸送機作業時故障類型、安全等級評價及故障的聲光報警提示，大大降低了帶式輸送機的故障發生率及人員的勞動強度，提高了井下作業安全，具有重要的實際應用價值。

圖5 預警系統現場應用效果圖