煤矿井下带式输送机自动化控制系统设计

刘鹏飞

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿机电科，山西大同 037003）

0 引言

带式输送机是煤矿重要的井下煤炭运输设备，在煤炭运输过程中扮演着不可或缺的角色，能否安全稳定运行将直接影响煤矿的开采效率[1]。随着目前煤矿井下设备开采强度的增加，开采周期的延长，对带式输送机的质量提出了更大的考验。煤炭运输过程中带式输送机会出现各种各样的故障，如皮带打滑、跑偏、撕裂等情况，影响了带式输送机的工作寿命，降低了煤炭的开采效率。一般情况下对于带式输送机采用人工巡检的方式进行故障查询，这样的保护方式低效且存在盲区，难以满足煤矿生产需求，对带式输送机系统的自动化改造已是大势所趋[2]。本文基于微控制器技术、传感器检测技术、计算机技术设计了一种新型的自动化控制系统。

1 故障情况

矿井下开采环境复杂多变，皮带运输机作为巨型运输设备，随着开采强度的增加，在煤炭运输过程中，会出现诸多故障，主要故障及原因有以下几种[3]。

（1）皮带跑偏。皮带跑偏在带式输送机日常故障中占有比重比较大，本质为皮带中轴线与支架中心不在同一直线上，可能是由于误安装引起，也可能是在皮带运行过程中引起。长时间的皮带跑偏会引起皮带撕裂，影响使用寿命，更甚者可能会使皮带支架坍塌。

（2）皮带堆煤。皮带堆煤现象是由于输送机长期撒料引起的。运输机撒料一般有2种原因：一种是由于皮带跑偏引起的，另一种是由于皮带长期悬空引起的。

（3）皮带打滑。皮带打滑主要是指皮带工作过程中张力不足引起的原地滑动现象，可能是绞车拉力不足或者配重方式不合理引起的。另外，驱动滚筒表面胶皮磨损，造成驱动摩擦力不足，也会导致皮带打滑现象的发生。皮带打滑现象会导致皮带驱动滚筒表面迅速升温，给驱动滚筒及打滑处皮带带来难以修复的伤害。

（4）皮带撕裂。皮带撕裂是由于皮带运输机长期处于高强度工作状态，致使皮带表面保护胶皮磨损引起的，这样会导致皮带强度下降，皮带拉伸强度得不到保障，最终导致断带或纵向撕裂事故的发生。皮带一旦发生断裂，不仅影响了煤炭运输的进度，还会造成人身伤亡事故的发生。

2 系统总体方案

图1 带式输送机自动化控制系统总体方案

整个自动化控制系统主要由上位机、井下传感器检测系统、PLC主控制器、声光报警装置组成。带式输送机自动化控制系统总体设计方案如图1所示。其中，井下传感器检测系统由各类矿用传感器构成，包括跑偏传感器、撕裂传感器、堆煤传感器、温度传感器、速度传感器，负责检测皮带运输机的运行工况，包括堆煤、跑偏、撕裂、温度等生产参数；PLC主控制器主要用于对检测信息进行分析处理，并发送控制指令实现皮带运输机的启动和关停，对其进行保护，同时将故障信息上传给上位机；声光报警装置用于自动化控制系统的故障报警；上位机主要实现检测数据的上传以及控制指令的下达，对整个自动化控制系统进行远程监控。

3 硬件方案

为应对井下复杂的工作环境，随时预警皮带运输系统可能存在的安全隐患及设备故障信息，精确获得需要检测的数据，对输送机进行实时保护，保障其安全稳定运行，对各部分硬件设备进行了相应选型。

3.1 PLC主控制器

PLC主控制器在自动化控制系统中扮演着重要的角色[4]，通过它可实现对带式输送机的故障预警、故障保护、电机启停。根据自动化控制系统所要实现的功能需求，本文选用德国西门子S7-300系列PLC作为主控制器。该系列控制器性价比高、电磁兼容性强、可靠性高，非常适合应用于煤矿领域[5]。

3.2 皮带跑偏检测单元

跑偏传感器选用型号为GEJ30，可对带式输送机的皮带跑偏情况进行检测。将跑偏传感器安装在带式输送机底座两侧，布设间隔为30～50 m，不限制安装数量，并且均为并联连接。传感器设定一定的阈值，当皮带偏离值超过阈值时，PLC主控制器会接收反馈信息，并进行保护控制，同时标识跑偏区域，工作人员可根据标识区域对跑偏皮带进行详细检查并更换[6]。

3.3 皮带堆煤检测单元

堆煤传感器选用型号为GUJ30，将堆煤传感器安装在皮带输送机低洼处。当发生堆煤现象时，堆煤传感器将信号向PLC主控制器实时传送，此时控制器显示超出安全值并启动相应保护机制，同时标识堆煤具体区域，工作人员可根据标识区域对堆煤情况进行处理。

3.4 皮带打滑检测单元

选用型号为KG5007A的速度传感器对皮带打滑现象进行检测，将速度传感器安装在皮带运输机端头滚筒及皮带中部。PLC主控制器通过设定值与实际值的速度差值比对开判定皮带是否产生打滑现象，适时启动控制保护系统，并组织工作人员对故障点进行检查并进行故障保护。在皮带打滑时为避免更大事故发生，在驱动滚筒处安装驱动滚筒温度保护，选用型号为GWD100的温度传感器。

3.5 皮带撕裂检测单元

撕裂传感器选用型号为GVD1200，将其安装在皮带运输机端头张紧设备内。带式输送机在正常工作过程时张紧力一般为固定值，当该数值减小时即可视为皮带撕裂，此时立即关停带式输送机并启动保护机制，及时组织工作人员对存在问题的胶带进行更换。

4 软件方案

带式输送机自动化控制系统软件方案设计包括PLC下位机程序和上位机监控软件2部分。下位机程序主要由系统保护程序和系统控制程序组成。系统控制程序包括输送机启停程序；系统保护程序包括对输送带的跑偏、打滑、撕裂等非正常情况的故障报警程序、故障保护程序。本系统采用相应的STEP7软件，通过梯形图的方式对PLC主控制器进行程序编写[7]，将编写好的程序存储于PLC的CPU内，整个自动化控制系统根据设定好的程序安全运行。下位机程序示意图如图2所示。

图2 下位机监控程序示意图

当PLC主控制器检测到带式输送机系统发生故障时，触发故障报警程序，并立即关停运输机，转入故障保护程序，保证带式输送机的安全运行。

上位机监控软件主要起监控作用，实现各类故障信息的显示，并向下位机传送各参数的设定值，发送控制命令参数等。系统采用Visual Basic这一用户最多、应用领域最为广泛的开发工具[8]。上位机监控软件可视化框架图如图3所示。

图3 上位机监控软件可视化框架图

5 结束语

为保障带式输送机在矿井下安全稳定运行，本文基于计算机技术、微控制器技术、传感器检测技术等提出一种新型的自动化控制系统，该系统可实现对带式输送机系统的全方位监测，包括打滑、堆煤、跑偏、撕裂、过温等情况，并可对这些情况进行故障预警和故障保护；上位机监控软件具有友好的人机界面，可实现远程监控功能。该系统已在矿井下进行了测试，具有很好的应用效果，大大提高了煤炭运输的效率，降低了运输设备的故障风险。