皮帶運輸機PLC智能控制系統設計

賀瑞峰，王建盛

（山西省河曲縣晉神沙坪煤業有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 況

沙坪煤礦礦井主采煤層為13號煤，地層位置關系為太原組二段中下部，由于礦井煤層出現分層且煤層賦存較厚，分為13號上煤層和13號煤層，其中上煤層厚度為4.57～9.39 m，平均煤厚為5.92 m；13號煤層厚度為6.1～22.2 m，平均煤厚16.84 m，兩層煤之間的層間距為9.36 m左右。下部13號煤層作為礦井主采煤層，厚度大，含有1～18層的夾矸，累計厚度為0.43～9.47 m，礦井設計核定產能為800萬t/a，采用兩采兩備方式進行采掘作業。

由于工作面產煤量較大，運輸設備檢修時間短，隨著皮帶運輸機的長期高強度高負荷運轉，很難保證皮帶設備的安全可靠性，嚴重影響礦井的安全高效生產，因此，如何實現皮帶運輸機的快速準確自檢，通過智能化管控，提高設備的故障維修率，保證礦井的安全生產，具有重要意義。

2 皮帶裝置結構原理與故障類型劃分

2.1 皮帶輸送機的結構原理

沙坪煤礦皮帶輸送機主要由前后電機、減速機、驅動滾筒、皮帶、托輥、清掃刮板、保護裝置、緩沖輥和脹拉絞車等部件組成。皮帶運輸機在驅動滾筒的帶動下作定向運動，經過脹拉絞車把皮帶拉緊，皮帶運行時通過固定在H架和架桿上的托輥承載運動。皮帶運輸機結構原理如圖1所示。

圖1 皮帶運輸機結構原理Fig.1 Structure principle of belt conveyor

2.2 故障類型劃分

對沙坪煤礦主采13號煤層的主要運輸大巷、采煤工作面和掘進工作面的皮帶運輸機連續6個月出現的大概率故障進行統計，總結出皮帶斷裂、減速機斷軸、跑偏、撒料、皮帶打滑和異常噪聲等6個方面故障，其中故障率最高的2個因素是跑偏和撒料，且二者之間存在相互影響的聯系，具體如圖2所示。

圖2 故障類型占比柱狀圖Fig.2 Column diagram of fault type proportion

（1）皮帶運輸機故障率最高的為跑偏，占比37%。跑偏故障主要由于機頭機尾驅動滾筒受力不均，導致皮帶運行時不在同一條中軸線上，加之皮帶上運載的重物，如煤、矸石等存在分布不均，導致皮帶運行跑偏。

（2）撒料事故故障率僅次于跑偏，占比28.5%。導致皮帶撒料的原因主要是巷道坡度起伏較多，當皮帶滿載荷運行時，在經過變坡點和低洼起伏點時，皮帶的承載力短時間發生變化，會出現瞬時失重現象，當載物再次落回皮帶時，落點未與軸心線重合，就會導致撒料情況發生。

（3）占比第三的是皮帶的異常噪音故障，占比22.4%。井下皮帶輸送機滾動運行環境較為惡劣，運載的物品種類較多，導致傳動件磨損銹蝕，在轉動過程中出現轉動受阻就會發出刺耳的噪聲。

（4）皮帶打滑占比7.3%，主要由于皮帶延伸鋪設后未及時恢復張緊，使得在松弛狀態下運載煤矸出現動力不足現象。皮帶滾筒之間產生的帶速差會影響皮帶的運行效果；破巖割煤期間，后巷開啟噴霧，若未對皮帶進行保護，皮帶就會存在積水，在經過滾筒時，不能提供足夠的摩擦力，使得皮帶張力削弱，產生打滑。

（5）皮帶斷裂的故障率4.4%，雖屬于小概率事件，但故障后果嚴重。該故障主要是因為設備長期磨損老化，尤其是日常硫化維護不到位，連接皮帶扣和鋼絲繩銹蝕嚴重，加之皮帶超負荷運載、被硬物劃傷撕裂等，就會發生皮帶斷裂。

（6）減速機的斷軸故障發生概率約為2.5%，多數原因是由于皮帶輸送機長期高強度、高負荷運轉，減速機軸承不能承受壓力發生過載斷軸現象。

3 PLC故障智能防控體系構建

3.1 故障監控體系構建

根據上文分析，在不同類型的故障點和易發生故障的區段安裝監測傳感器等保護裝置，經過信號傳輸與主機的分析判斷，將處理信號反饋回傳給信號分站，做出如斷電、閉鎖等保護動作，起到對設備及配件的保護效果，防范事故發生和災害的進一步擴大。故障監控體系保護裝置架構如圖3所示。

圖3 故障監控體系保護裝置架構Fig.3 Fault monitoring system protection device architecture

（1）防跑偏保護。為有效防止皮帶運行中出現跑偏，按照每50 m間距在皮帶兩側交替安裝一組跑偏傳感器，根據皮帶寬度和中線軸距的最大限度設定跑偏限量，當超出限定值時，保護裝置即發出報警，對皮帶進行自動校正復位；超出限定值過大時，則進行斷電停機。

（2）防撒料保護。每隔50 m和鋪設皮帶起伏不平的區段安設稱重傳感器，設定轉載點接煤接矸處為初始值，同時設定系統承載最大載荷量和壓力值。監測到皮帶載荷量異常波動時，發出報警信號，進行檢修維護。

（3）防打滑保護。分析皮帶打滑的主要影響因素，一是存在帶速差；二是皮帶有水濕滑，摩擦力較小。在驅動滾筒處安裝速度傳感器，通過比對皮帶和滾筒的運行速率差，分析反饋皮帶是否存在打滑現象；在頂板淋水和裝有防塵噴霧的地點架設雨搭。

（4）安裝拉力傳感器對皮帶張緊力進行監測，一旦小于正常預警值，則說明皮帶發生撕裂或者減速機斷軸事故，自動緊急停止皮帶運行。

3.2 智能防控系統構建

智能防控系統主要由監測系統和智能控制系統構成。選擇西門子S7-1214PLC型智能主控器，系統結構框架為PLC控制系統、傳感器監測群組、運輸機電器功率、變頻器電壓、電流等實時數據的監測，如圖4所示。

圖4 智能控制系統工作原理Fig.4 Working principle of intelligent control system

4 結 語

根據沙坪煤礦皮帶運輸機實際情況，對皮帶運輸機發生故障的風險點進行辨識統計，對各類故障進行統計分析。根據分析結果安裝監測傳感器，對故障實現定點、定性的準確監測，并通過智能控制系統進行分析，發出指令，避免設備的帶病運轉，及時發現故障，確保礦井安全生產。