基于PLC的帶式輸送機跑偏撕裂工況監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘 要：【目的】針對帶式輸送機綜合工況中的跑偏、撕裂、急停閉鎖等問題，設計一套基于PLC的實時監(jiān)測系統(tǒng)，對輸送機皮帶的狀態(tài)進行實時感知，當發(fā)生異常情況時自動預警，為輸送機的相關線上人員提供操作和處理依據(jù)，提高帶式輸送機的開機率?！痉椒ā渴紫?，分析帶式輸送機跑偏、撕裂、急停閉鎖等常見故障的形成機理及特點，明確相應的工況監(jiān)測參數(shù)需求；其次，根據(jù)礦井生產過程中的實際工作環(huán)境以及工況監(jiān)測和故障緊急保護的需求程度，選擇合適的監(jiān)測傳感器；最后，結合PLC控制，形成可實施的系統(tǒng)方案。【結果】通過方案對比評估，最終設計出基于PLC的帶式輸送機跑偏、撕裂、急停閉鎖工況監(jiān)測系統(tǒng)?！窘Y論】確定了監(jiān)測傳感器選型原則，形成了帶式輸送機具體的監(jiān)測和控制設計方法，為提升煤礦帶式輸送機的運行可靠性提供了可工程化實施的指導方案。

關鍵詞：礦用帶式輸送機；跑偏；撕裂；工況監(jiān)測；PLC系統(tǒng)

中圖分類號：TD634" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0025-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.005

Design of Belt Conveyor Deviation and Tearing Condition Monitoring System Based on PLC Monitoring System

WEI Hongliang

（Shanxi Lu 'an Environmental Energy Development Co.， Ltd.， Changzhi" 046204， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to design a real-time monitoring system for the most serious issues affecting safety production in the comprehensive working conditions of belt conveyors， such as deviation， tearing， and emergency stop locking. This system can perceive the survival status of conveyor belts in real time and automatically warn of abnormalities， and it provides a basis for operation and handling for relevant personnel on the conveyor belt， and improves the start-up rate of belt conveyors.[Methods] Firstly， the formation mechanism and characteristics of common faults such as belt conveyor deviation， tearing， and emergency stop locking were analyzed， and the corresponding monitoring parameter requirements for working conditions were clarified. Then， based on the actual harsh level of working environment in the mine production process， as well as the degree of demand for working condition monitoring and fault emergency protection， suitable monitoring sensors were selected.Finally， combining with PLC control， an implementable system scheme is formed.[Findings] Through comparative evaluation of schemes， a PLC based monitoring system for belt conveyor deviation， tearing， and emergency stop locking conditions was ultimately constructed.[Conclusions] This article establishes the principle of selecting monitoring sensors and forms a specific monitoring and control design method for belt conveyors， providing engineering guidance for improving the operational reliability of coal mine belt conveyors.

Keywords： mining belt conveyor; deviation; tearing; working condition monitoring;PLC system

0 引言

隨著礦用能源開采行業(yè)的發(fā)展，開采效率已成為煤礦開采的重要指標。與其他傳輸設備相比，帶式輸送機具有高效性、高適應性、高穩(wěn)定性等特點，是礦物能源開采的主要傳輸設備。礦物開采工作的環(huán)境惡劣，礦物粉塵會影響帶式輸送機輸送帶的轉動運行，造成輸送帶運轉卡滯、打滑甚至斷帶［1-3］。

為保證開采效率，帶式輸送機需要長期處于負荷傳輸狀態(tài)。于是，對帶式輸送機運行性能的實時檢測和反饋保養(yǎng)已成為提升能源采集效率的重要手段。為保證采礦安全、縮短檢修時間、降低事故危害，本研究設計了帶式輸送機跑偏撕裂工況監(jiān)測系統(tǒng)。

1 帶式輸送機結構及原理分析

帶式輸送機具有運輸能力大、適應地形廣、維護簡單等優(yōu)點，在煤礦行業(yè)應用十分廣泛，其部件主要包括以下幾個部分［4］。

①驅動裝置：利用發(fā)動機提供扭矩到傳送帶上，控制傳送速度。

②張緊裝置：通過彈簧、螺旋桿等結構為輸送帶輸出張緊力，保證整體輸送帶擁有足夠的摩擦力。

③滾筒：用于增加輸送帶摩擦力和調整輸送帶的傳輸方向。一般分為傳動滾筒和改向滾筒。其中，傳動滾筒與驅動裝置連接；改向滾筒則通過壓緊輸送帶，改變與傳動滾筒之間的包角，進而改變方向。

④輸送帶與托輥：一般分為鋼絲繩輸送帶和橡膠輸送帶。由托輥對輸送帶進行支撐，保證輸送過程中輸送帶與機架的垂直度。

⑤機架：是帶式輸送機的主要固定結構，對滾筒和張緊等裝置起支撐作用。

帶式輸送機的工作原理為先利用驅動裝置帶傳動滾筒將力矩傳送至輸送帶上，再通過托輥和改向滾筒支撐輸送帶至終點。其基本外形結構如圖1所示。

2 監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著采煤技術的快速發(fā)展，礦物輸送距離和運

輸效率逐漸提升，國內現(xiàn)有帶式輸送機的監(jiān)測系統(tǒng)已不能滿足生產需要。近5年，發(fā)達國家采用了基

于虛擬技術的設備遠程診斷。此技術采用先進的PLC系統(tǒng)來開發(fā)功能齊全的監(jiān)測系統(tǒng)，目前已具備對輸送機進行實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)記錄的能力［5-8］。

對此，國內多個高校進行了相關技術研發(fā)，其中，中國礦業(yè)大學研發(fā)了礦井輸送機遠程監(jiān)測PLC控制系統(tǒng)；在檢測刮板輸送機打滑故障方面，河南理工大學研發(fā)了速度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)；在監(jiān)測輸送帶撕裂方面，西安理工大學設計研發(fā)了PLC紅外光電感應技術。盡管在刮板輸送機監(jiān)測方面形成了一定的成果，但只能針對單一工況的監(jiān)測，且未能與實際控制聯(lián)合考慮，尚未形成較為實際的應用［9］。

為加快對帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的研究，滿足生產實際要求。本研究擬結合山西省現(xiàn)代化礦井生產改造項目“帶式輸送機跑偏、撕裂、急停閉鎖工況監(jiān)測研究”，開發(fā)一套針對不同工況下輸送機的監(jiān)測系統(tǒng)。

3 輸送機工況監(jiān)測方案設計

新型帶式輸送機的跑偏、撕裂、急停閉鎖工況監(jiān)測系統(tǒng)設計，應先根據(jù)不同工況明確不同的監(jiān)控方案，并分析互相的優(yōu)缺點。

3.1 常用的監(jiān)控方案

目前，常用的監(jiān)控方案有3種［10］：單片機控制、繼電器控制及工業(yè)控制計算機控制。

3.2 不同監(jiān)控方案分析

3.2.1 PLC與單片機優(yōu)缺點分析。PLC編程的差錯率較低，基本是采用簡單易懂的“梯形圖”語言。在熟悉編程指令后，編程人員只需掌握輸入與輸出的接口信息即可編程，相對簡單；單片機對編程人員的專業(yè)素質要求高，采用的是C語言或其他匯編語言，編制過程容易產生錯誤。在可靠性方面，PLC的控制器件是專門模擬工業(yè)環(huán)境而設計的，采用了多重措施來提高其抗干擾能力，且輸出接口有一定的驅動負載能力，能夠適應大部分工業(yè)控制。

3.2.2 PLC與繼電器優(yōu)缺點分析。PLC控制是通過程序作用半導體電路實現(xiàn)的，其響應迅速、邏輯功能強、可靠性高、無抖動，明顯優(yōu)于只具備機械動作的繼電器。在邏輯功能實現(xiàn)方面，依靠程序實現(xiàn)邏輯功能是PLC的優(yōu)點。并且，在控制時僅連接輸入與輸出端即可，既減小了安裝、調試的工作量，又使邏輯功能更具可靠性。

3.2.3 PLC與工業(yè)控制計算機優(yōu)缺點分析。PLC容易掌握、開發(fā)簡單、運行穩(wěn)定，且周邊配套硬件相對成熟、價格略低、易于維護；PC機則具有運算速度快，擴展性好等優(yōu)點，能適合絕大部分的控制場合，但其開發(fā)成本高，運行受環(huán)境影響大。

綜上分析，本研究設計的新型帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)采用PLC控制，以滿足跑偏保護、撕裂保護、急停閉鎖的功能。

3.3 基于PLC的監(jiān)測系統(tǒng)設計

本研究設計的監(jiān)測系統(tǒng)下位機 PLC 負責采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令。上位機采用 LabVIEW 編寫，其具有實時顯示帶式輸送機運行狀態(tài)、記錄及數(shù)據(jù)查詢的功能。上、下位機采用 OPC 實現(xiàn)實時通信，這種通信方式可以使監(jiān)控總站能夠遠離工作面。在故障發(fā)生時，監(jiān)測系統(tǒng)能自動預警并采取保護措施，使工作人員能夠實時掌握帶式輸送機的運行工況，及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，為實現(xiàn)帶式輸送機自動化提供基礎。本研究以2臺帶式輸送機L1和L2作為研究對象，對輸送機運行的工況綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行分析，煤流方向為L1→L2，帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

利用PLC取代原有的繼電器控制，以達到省時、省工、省料及縮短設計周期的目標。本研究的主要目的是監(jiān)測帶式輸送機的跑偏、撕裂、急停閉鎖等故障。

4 輸送帶異常情況監(jiān)控設計

4.1 輸送帶跑偏

4.1.1 跑偏分析。根據(jù)煤礦現(xiàn)場反饋，輸送帶跑偏的原因有3大類：①張緊裝置兩側張力不相等，匯總為維護工作不良的影響。②帶式輸送機泄煤口的位置偏差造成膠帶偏載使之跑偏，匯總為輔助機械的影響。③皮帶機滾筒和托輥等關鍵件部件的制造誤差和裝配偏差，匯總為設備自身的影響。

4.1.2 糾正措施。帶式輸送機跑偏的基本規(guī)律根據(jù)現(xiàn)場使用經驗有跑后不跑前、跑緊不跑松、跑高不跑低。常用處理措施為：加強帶式輸送機各部件的加工和制造精度檢測，確保加工檢測方法科學有效；依據(jù)跑偏規(guī)律對機械裝置關鍵部件進行優(yōu)化；合理調整張緊機構。

4.1.3 跑偏監(jiān)測。帶式輸送機的跑偏監(jiān)測選用GEJ35礦用本質安全型跑偏開關，其工作原理為：輸送帶的狀態(tài)根據(jù)角度變化去監(jiān)測反饋，當輸送帶跑偏時將碰到傳感器，使傳感器產生旋轉，在達到極限角度后，PLC將輸出報警信號，在故障消除后，彈簧的作用力能使傳感器恢復到正常位置。

4.2 輸送帶撕裂

4.2.1 撕裂。輸送帶撕裂是一種很嚴重的設備故障，直接影響正常的生產，分為橫向撕裂和縱向撕裂。帶式輸送機以縱向撕裂為主，現(xiàn)場反饋的主要原因為：抽芯撕裂、跑偏撕裂、異物劃傷、物料擠卡堵塞撕裂等。

4.2.2 撕裂監(jiān)測。本研究選用GVY1.5礦用撕裂傳感器對撕裂故障進行監(jiān)測。監(jiān)測原理為：運輸物穿透輸送帶的撕裂縫隙，并不斷沉積在傳感器上，撕裂傳感器受到壓力后動作，隨之將故障信號傳遞至監(jiān)控識別系統(tǒng)。

4.3 急停閉鎖

本研究選用的KHJ 0.05/16 礦用本質安全型急停閉鎖開關是一種系統(tǒng)發(fā)生異常事故的急停開關。在故障排除掉后，還需要人工手動復位，以確保生產安全。其工作原理是：正常工作時信號指示燈閃爍，控制回路內閉鎖接點處于常開狀態(tài)；當帶式輸送機出現(xiàn)故障急需緊急停車時，閉鎖開關動作信號指示燈變紅燈。

閉鎖開關具有以下特點：①跑偏、縱撕等保護裝置可就近接入閉鎖開關，節(jié)省電纜長度。②工作在寬電壓區(qū)間，功耗低。③設備地址自動分配，快捷方便。④外殼防護級別高，可使用在較惡劣的環(huán)境。⑤端口使用接插模式連接，現(xiàn)場安裝維護方便。

5 傳感器選擇

傳感器是將具有一定規(guī)律的數(shù)學函數(shù)變換成可輸出信號的裝置，通常由敏感或轉換元件組成。傳感器的選型需要兼顧幾個因素，包括線性范圍、測量對象、靈敏度、動態(tài)響應特性、穩(wěn)定性等。

5.1 傳感器的安裝

監(jiān)控系統(tǒng)選擇了多種不同功能的傳感器，根據(jù)傳感器測試機理及使用環(huán)境，安裝在相應的位置上。傳感器的總布置如圖3所示。

5.2 控制電路設計

為達到現(xiàn)場和總調中心都能獨立啟動帶式輸送機，本研究設計增加一套PLC 驅動的繼電器，使輸送機兼顧手動和自動的控制方式。手動啟動時，按下開關ST1，KM1通電自鎖并保持，帶式輸送機L1通電啟動；自動啟動時，PLC 驅動繼電器JD1-1，KM1 通電自鎖并保持，帶式輸送機L1 通電啟動。帶式輸送機L2的啟動方式與 L1類似。

JD1-2 和JD2-2 是急停繼電器，響應按鈕按下，急停繼電器斷開，實現(xiàn)電源斷路，帶式輸送機停止工作，其控制原理如圖4所示。

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收稿日期：2023-06-24

作者簡介：魏紅亮（1983—），男，碩士，高級工程師，研究方向：煤礦設備機電技術。