煤矿带式输送机运行监控系统设计

邓 鑫

（同煤集团马脊梁矿， 山西 大同 037001）

引言

带式输送机作为实现煤矿有序开采的重要组成部分，是确保煤矿实现高产以及确保其结构具有良好运行性能的关键基石[1]。但是，由于相对复杂的地下环境以及带式输送机本身存在的一些问题，使得带式输送机在作业时经常会发生皮带跑偏、机身剧烈振动、机体温度过高等各种问题，严重影响设备和煤矿井下作业的正常进行，甚至还会造成事故影响井下工作人员的人身安全[2]。因此，为了解决上述问题，同煤集团马脊梁矿提出在运输机上设计一个监控系统，通过对带式输送机运行过程中出现的故障问题进行分析，从环网系统、变频器及运输系统等方面对带式输送机运输监控系统进行了设计。

1 带式输送机运输系统结构

带式输送机是煤矿作业过程中必须用到的关键设备，主要由皮带、齿条、制动器、驱动器、驱动马达、滚筒等部件组成，而带式输送机的运输监控系统又是保障煤矿输送机正常运行的重要系统。输送设备主要负责对带式输送机机在井下作业过程中发生的各种故障进行实时监测，然后找出故障原因并进行故障排除，以实现运输设备的正常工作。与传统的带式输送机相关监控系统的结构组成相结合，新设计出的监控系统主要包含三个子系统，分别为设备系统、管理系统和控制系统。三大系统之一的管理系统主要包括配置软件和上位机部件。它主要是负责整个监视系统的实时监视，并通过对设备的运行状态的判断来发出相关的控制命令，显示设备的实际运行状态，并存储和更新各种类型的数据。控制系统则主要是由PCL控制器、变电站和防爆箱组成。它是整个系统的处理中心，功能主要包括对信号进行接收处理与分析，故障保护和现场数据显示保护。设备系统主要是由各种传感器和其他负责执行命令的设备组成，主要收集系统的操作动作和故障点的参数和状态响应，并在带式输送机作业过程中对出现的诸如皮带跑偏、温度上升和剧烈振动等故障信号及时上传与执行。因此带式输送机的运输监控系统便是通过这三个系统之间的密切配合来达到故障监测与清除的效果。带式输送机监控系统的组成如图1所示。

图1 运输监控系统的组成

2 带式输送机监控系统功能设计

2.1 防跑偏功能

带式输送机在煤矿井下作业过程中，由于一定时期内各个方向上的离心力对运输皮带产生作用，会使得皮带偏心轴线偏离了原有的运输和轨道中心线，由此导致皮带跑偏现象的发生。带式输送机在运行过程中出现皮带跑偏故障的原因主要有三点：带式输送机运行中滚筒偏移；运输皮带直接接触到的煤炭规格的不同导致的冲击力不平衡；安装过程中皮带的相对位置没有受到严格控制。当皮带出现跑偏打滑时，不仅会给皮带本身及运输设备带来较大损害，更严重者还会造成煤矿井下作业危险事故的发生，影响技术人员的人身安全。因此，在运输监视系统中要加入防跑偏装置的相关设计。当皮带发生打滑或是跑偏时，监控系统会进行报警或停机处理，从而保障设备的安全运行，延长设备的使用寿命。

2.2 急停保护功能

由于相对复杂的煤矿作业环境以及运输皮带和其他相关设备的高强度运行，皮带会很容易出现磨损或破裂，并且部件会出现异常运行。在设备的高强度运行下，无法提前预测故障出现的位置。为了应对这种不可预测的故障，在皮带运输监控系统中加入了急停保护功能的设计，该设计主要是通过装串联接触开关实现的。设备的某个部件发生故障时，控制设备将在设备的急停中立马执行对故障操作的中断命令，使得设备和工作人员都得到安全保障。

2.3 打滑保护功能

在皮带运输设备的长期运行过程中，由于井下作业环境的影响以及皮带本身的材料质量的欠缺，皮带与滚筒之间的摩擦会逐渐减小或完全消失，从而出现了皮带的打滑。皮带的打滑不仅会增加皮带的磨损程度，还会导致结构局部发热并产生火花，这很可能会引起诸如地下气体爆炸等安全事故的发生。因此，在皮带运输监控系统中，必须加入皮带打滑故障保护的设计，其主要是通过在皮带或滚筒处安装速度传感器。当皮带发生打滑时，监控系统会生成相应的故障报警信号，从而快速解决问题。

3 皮带运输监控的方案设计

3.1 总体方案

对运输监控系统的设计是基于带式输送机的结构特点而实现的。现有的带式输送机控制系统配备了监控设备、网络交换机、PLC控制器等，因此可以通过以太网来连接地面调度中心和PLC控制器。PLC控制系统下设了三个控制子系统，包括1号集中控制室子系统、2号煤仓顶子系统、3号地下防爆箱子系统等。这三个系统各司其职，分别实现数据传送、监控煤矿仓顶及控制输送机尾部设备等。同时，在运输设备的皮带两侧，分别设计了速度传感器、串联式触点开关、跑偏报警装置、各类传感器等保护设备，从而组成了皮带运输的监控系统。此外，PLC控制器与上位机之间的交流主要通过以太网进行连接而实现，PLC主系统与子系统之间的连接方式也是以太网总线电缆。当两者间距离过长时，光缆可用于通讯连接，满足系统的抗干扰和通讯要求。图2为带式输送机运输监控系统的总体框架。

3.2 变频器设计

变频器是运输监控系统中的关键组成部分。本研究的设计中选用了SKI780变频器。该型号变频器的实际构造如图3所示。之所以选用该品牌型号是因为其具有变频范围大、可靠性强、灵敏度高等优点，通过该变频器实现与外部以太网、电缆和光缆的快速对接和通讯。同时，当设备连接到PLC控制器时，模拟信号在A/D模块进行切换，并且输出信号会以2～20 mA的形式输入到变频器的模拟输入端子系统中。这实现了对逆变器输出功率频率的控制，且操作较为简便。

图2 带式输送机运输监控系统总体框架图

图3 SKI780变频器实物图

3.3 环网系统设计

在整个运输监控系统中，一共有一个主系统和三个子系统，且各系统间的连接都是用以太网的形式进行。因此环网系统的设计要考虑增设光电交换机，从而在光和电的转换作用下，形成一个复杂的环网系统。下页图4则是环网的框架流程图。在这个环网系统中，主系统上的交换机在内部进行连接交换后再和信息平台上的信号进行交接，再传输到调度室中，PCL控制器和监控中心的信号连接就是通过上述过程实现的。

4 现场试用效果分析

基于以上分析，实现了带式输送机中运输监控系统的整体设计。为了解其实际运行效果，在同煤集团马脊梁矿井下进行了实际应用，主要是将监视系统设计加入井下的皮带运输机上，并对两者间的兼容性进行调试。为保证试验结果的准确性，现场的应用测试时间长达半年。最终的现场应用结果表明：运输监控系统一直处于正常稳定的运行状态。它可以及时捕获并准确掌握带式输送机在实际工作过程中发生的皮带跑偏或打滑及设备振动幅度过大等故障信息，并且在故障出现的第一时间进行报警响应，当分析出故障较为严重时，还能直接启动紧急停止开关，使皮带运输机立刻停止工作，避免严重事故发生。对其工作效果进行分析发现，该监测系统降低了约一半以上的故障率，故障检修时间节约了一半。在这半年的试用期内，每台机器为企业节约了一万元的经营支出。因此该监控系统值得推广应用。

图4 环网系统框架流程图

5 结论

改进后的系统已在同煤集团马脊梁矿进行了试用。试用结果表明，该皮带运输监控系统不仅可以实现稳定运行，还能准确及时地监控皮带运输机的实际工作状况，当有故障出现时可快速做出响应，故障排除时间明显缩短，有效降低了企业的经营成本。该运输监测系统的应用有效提高了皮带输送机的作业安全性能，具有极大的推广应用价值。