煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 鑫

（同煤集團(tuán)馬脊梁礦， 山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機(jī)作為實(shí)現(xiàn)煤礦有序開(kāi)采的重要組成部分，是確保煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)以及確保其結(jié)構(gòu)具有良好運(yùn)行性能的關(guān)鍵基石[1]。但是，由于相對(duì)復(fù)雜的地下環(huán)境以及帶式輸送機(jī)本身存在的一些問(wèn)題，使得帶式輸送機(jī)在作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生皮帶跑偏、機(jī)身劇烈振動(dòng)、機(jī)體溫度過(guò)高等各種問(wèn)題，嚴(yán)重影響設(shè)備和煤礦井下作業(yè)的正常進(jìn)行，甚至還會(huì)造成事故影響井下工作人員的人身安全[2]。因此，為了解決上述問(wèn)題，同煤集團(tuán)馬脊梁礦提出在運(yùn)輸機(jī)上設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行分析，從環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、變頻器及運(yùn)輸系統(tǒng)等方面對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)是煤礦作業(yè)過(guò)程中必須用到的關(guān)鍵設(shè)備，主要由皮帶、齒條、制動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、滾筒等部件組成，而帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)又是保障煤礦輸送機(jī)正常運(yùn)行的重要系統(tǒng)。輸送設(shè)備主要負(fù)責(zé)對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)在井下作業(yè)過(guò)程中發(fā)生的各種故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后找出故障原因并進(jìn)行故障排除，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸設(shè)備的正常工作。與傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成相結(jié)合，新設(shè)計(jì)出的監(jiān)控系統(tǒng)主要包含三個(gè)子系統(tǒng)，分別為設(shè)備系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。三大系統(tǒng)之一的管理系統(tǒng)主要包括配置軟件和上位機(jī)部件。它主要是負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，并通過(guò)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的判斷來(lái)發(fā)出相關(guān)的控制命令，顯示設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并存儲(chǔ)和更新各種類型的數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)則主要是由PCL控制器、變電站和防爆箱組成。它是整個(gè)系統(tǒng)的處理中心，功能主要包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收處理與分析，故障保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示保護(hù)。設(shè)備系統(tǒng)主要是由各種傳感器和其他負(fù)責(zé)執(zhí)行命令的設(shè)備組成，主要收集系統(tǒng)的操作動(dòng)作和故障點(diǎn)的參數(shù)和狀態(tài)響應(yīng)，并在帶式輸送機(jī)作業(yè)過(guò)程中對(duì)出現(xiàn)的諸如皮帶跑偏、溫度上升和劇烈振動(dòng)等故障信號(hào)及時(shí)上傳與執(zhí)行。因此帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)便是通過(guò)這三個(gè)系統(tǒng)之間的密切配合來(lái)達(dá)到故障監(jiān)測(cè)與清除的效果。帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的組成

2 帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 防跑偏功能

帶式輸送機(jī)在煤礦井下作業(yè)過(guò)程中，由于一定時(shí)期內(nèi)各個(gè)方向上的離心力對(duì)運(yùn)輸皮帶產(chǎn)生作用，會(huì)使得皮帶偏心軸線偏離了原有的運(yùn)輸和軌道中心線，由此導(dǎo)致皮帶跑偏現(xiàn)象的發(fā)生。帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)皮帶跑偏故障的原因主要有三點(diǎn)：帶式輸送機(jī)運(yùn)行中滾筒偏移；運(yùn)輸皮帶直接接觸到的煤炭規(guī)格的不同導(dǎo)致的沖擊力不平衡；安裝過(guò)程中皮帶的相對(duì)位置沒(méi)有受到嚴(yán)格控制。當(dāng)皮帶出現(xiàn)跑偏打滑時(shí)，不僅會(huì)給皮帶本身及運(yùn)輸設(shè)備帶來(lái)較大損害，更嚴(yán)重者還會(huì)造成煤礦井下作業(yè)危險(xiǎn)事故的發(fā)生，影響技術(shù)人員的人身安全。因此，在運(yùn)輸監(jiān)視系統(tǒng)中要加入防跑偏裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)。當(dāng)皮帶發(fā)生打滑或是跑偏時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警或停機(jī)處理，從而保障設(shè)備的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2.2 急停保護(hù)功能

由于相對(duì)復(fù)雜的煤礦作業(yè)環(huán)境以及運(yùn)輸皮帶和其他相關(guān)設(shè)備的高強(qiáng)度運(yùn)行，皮帶會(huì)很容易出現(xiàn)磨損或破裂，并且部件會(huì)出現(xiàn)異常運(yùn)行。在設(shè)備的高強(qiáng)度運(yùn)行下，無(wú)法提前預(yù)測(cè)故障出現(xiàn)的位置。為了應(yīng)對(duì)這種不可預(yù)測(cè)的故障，在皮帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中加入了急停保護(hù)功能的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要是通過(guò)裝串聯(lián)接觸開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)備的某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)，控制設(shè)備將在設(shè)備的急停中立馬執(zhí)行對(duì)故障操作的中斷命令，使得設(shè)備和工作人員都得到安全保障。

2.3 打滑保護(hù)功能

在皮帶運(yùn)輸設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于井下作業(yè)環(huán)境的影響以及皮帶本身的材料質(zhì)量的欠缺，皮帶與滾筒之間的摩擦?xí)饾u減小或完全消失，從而出現(xiàn)了皮帶的打滑。皮帶的打滑不僅會(huì)增加皮帶的磨損程度，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部發(fā)熱并產(chǎn)生火花，這很可能會(huì)引起諸如地下氣體爆炸等安全事故的發(fā)生。因此，在皮帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中，必須加入皮帶打滑故障保護(hù)的設(shè)計(jì)，其主要是通過(guò)在皮帶或滾筒處安裝速度傳感器。當(dāng)皮帶發(fā)生打滑時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)生成相應(yīng)的故障報(bào)警信號(hào)，從而快速解決問(wèn)題。

3 皮帶運(yùn)輸監(jiān)控的方案設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

對(duì)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)有的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)配備了監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、PLC控制器等，因此可以通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)連接地面調(diào)度中心和PLC控制器。PLC控制系統(tǒng)下設(shè)了三個(gè)控制子系統(tǒng)，包括1號(hào)集中控制室子系統(tǒng)、2號(hào)煤倉(cāng)頂子系統(tǒng)、3號(hào)地下防爆箱子系統(tǒng)等。這三個(gè)系統(tǒng)各司其職，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、監(jiān)控煤礦倉(cāng)頂及控制輸送機(jī)尾部設(shè)備等。同時(shí)，在運(yùn)輸設(shè)備的皮帶兩側(cè)，分別設(shè)計(jì)了速度傳感器、串聯(lián)式觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、跑偏報(bào)警裝置、各類傳感器等保護(hù)設(shè)備，從而組成了皮帶運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)。此外，PLC控制器與上位機(jī)之間的交流主要通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接而實(shí)現(xiàn)，PLC主系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的連接方式也是以太網(wǎng)總線電纜。當(dāng)兩者間距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)，光纜可用于通訊連接，滿足系統(tǒng)的抗干擾和通訊要求。圖2為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架。

3.2 變頻器設(shè)計(jì)

變頻器是運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。本研究的設(shè)計(jì)中選用了SKI780變頻器。該型號(hào)變頻器的實(shí)際構(gòu)造如圖3所示。之所以選用該品牌型號(hào)是因?yàn)槠渚哂凶冾l范圍大、可靠性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)該變頻器實(shí)現(xiàn)與外部以太網(wǎng)、電纜和光纜的快速對(duì)接和通訊。同時(shí)，當(dāng)設(shè)備連接到PLC控制器時(shí)，模擬信號(hào)在A/D模塊進(jìn)行切換，并且輸出信號(hào)會(huì)以2～20 mA的形式輸入到變頻器的模擬輸入端子系統(tǒng)中。這實(shí)現(xiàn)了對(duì)逆變器輸出功率頻率的控制，且操作較為簡(jiǎn)便。

圖2 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

圖3 SKI780變頻器實(shí)物圖

3.3 環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中，一共有一個(gè)主系統(tǒng)和三個(gè)子系統(tǒng)，且各系統(tǒng)間的連接都是用以太網(wǎng)的形式進(jìn)行。因此環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮增設(shè)光電交換機(jī)，從而在光和電的轉(zhuǎn)換作用下，形成一個(gè)復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。下頁(yè)圖4則是環(huán)網(wǎng)的框架流程圖。在這個(gè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中，主系統(tǒng)上的交換機(jī)在內(nèi)部進(jìn)行連接交換后再和信息平臺(tái)上的信號(hào)進(jìn)行交接，再傳輸?shù)秸{(diào)度室中，PCL控制器和監(jiān)控中心的信號(hào)連接就是通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。

4 現(xiàn)場(chǎng)試用效果分析

基于以上分析，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)中運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。為了解其實(shí)際運(yùn)行效果，在同煤集團(tuán)馬脊梁礦井下進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，主要是將監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)加入井下的皮帶運(yùn)輸機(jī)上，并對(duì)兩者間的兼容性進(jìn)行調(diào)試。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年。最終的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)一直處于正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。它可以及時(shí)捕獲并準(zhǔn)確掌握帶式輸送機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中發(fā)生的皮帶跑偏或打滑及設(shè)備振動(dòng)幅度過(guò)大等故障信息，并且在故障出現(xiàn)的第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警響應(yīng)，當(dāng)分析出故障較為嚴(yán)重時(shí)，還能直接啟動(dòng)緊急停止開(kāi)關(guān)，使皮帶運(yùn)輸機(jī)立刻停止工作，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。對(duì)其工作效果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)降低了約一半以上的故障率，故障檢修時(shí)間節(jié)約了一半。在這半年的試用期內(nèi)，每臺(tái)機(jī)器為企業(yè)節(jié)約了一萬(wàn)元的經(jīng)營(yíng)支出。因此該監(jiān)控系統(tǒng)值得推廣應(yīng)用。

圖4 環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)框架流程圖

5 結(jié)論

改進(jìn)后的系統(tǒng)已在同煤集團(tuán)馬脊梁礦進(jìn)行了試用。試用結(jié)果表明，該皮帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，還能準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)控皮帶運(yùn)輸機(jī)的實(shí)際工作狀況，當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)可快速做出響應(yīng)，故障排除時(shí)間明顯縮短，有效降低了企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本。該運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用有效提高了皮帶輸送機(jī)的作業(yè)安全性能，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。