礦用皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

朱鵬

摘要? 當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)著我國(guó)群眾生活需求的提升，我國(guó)礦井生產(chǎn)規(guī)模也在持續(xù)的擴(kuò)大，在這一形式下，礦用運(yùn)輸系統(tǒng)得以完善和改進(jìn)。在礦用傳輸機(jī)中，皮帶機(jī)的特征在于輸送距離較長(zhǎng)、運(yùn)輸穩(wěn)定，繼而成為當(dāng)前礦用傳輸機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)的皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中還是落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，運(yùn)行期間故障問(wèn)題明顯、操作難度較大，信息采集出現(xiàn)重復(fù)多次運(yùn)行，因此在較為惡劣環(huán)境的礦井下進(jìn)行工作，很容易影響操作人員的正常工作。由此來(lái)看，雖然監(jiān)控系統(tǒng)是皮帶機(jī)設(shè)備中的較基礎(chǔ)的功能，但還是要緊跟社會(huì)時(shí)代及礦井的需要進(jìn)行整改優(yōu)化，做好對(duì)礦用皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)煤礦企業(yè)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：皮帶機(jī);監(jiān)控系統(tǒng);故障定位

1、礦用皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

礦用皮帶機(jī)是煤礦開采中三大開采設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)主要包括了滾筒、驅(qū)動(dòng)電機(jī)皮帶、導(dǎo)向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機(jī)等組成。其中，滾筒是礦用皮帶機(jī)中的重要部件，與皮帶進(jìn)行配合，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下，能實(shí)現(xiàn)將皮帶上的煤礦運(yùn)輸至指定地點(diǎn)。根據(jù)滾筒的功能特點(diǎn)，可將其分為驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、輕型滾筒、中型滾筒、重型滾筒等類型。礦用皮帶機(jī)中滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含各類脹套連接和焊接結(jié)構(gòu)，主要分為鍵連接、脹套連接全焊結(jié)構(gòu)，除此之外還包括鑄焊結(jié)構(gòu)。其中帶加強(qiáng)環(huán)柱焊結(jié)構(gòu)是目前常用的超重型滾筒類型，極大地提高了滾筒的輸送效率。滾筒在實(shí)際過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)筒殼磨損嚴(yán)重、焊縫開裂、滾筒外殼磨損、輻板變形等失效現(xiàn)象，分析其原因?yàn)闈L筒在使用過(guò)程中受到了來(lái)自外部的不均勻沖擊載荷作用，導(dǎo)致滾筒的局部區(qū)域出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著礦用皮帶機(jī)的作業(yè)效率。為此，有必要采用有限元分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究。

2、總體設(shè)計(jì)

皮帶機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示，系統(tǒng)采用集中分布式結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制組合配電單元，全面監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)工況。系統(tǒng)主要由主控制器和皮帶沿線設(shè)備兩大部分組成，主控制器通過(guò)RS-485總線連接配電控制模塊（A～H），通過(guò)CAN總線控制語(yǔ)音報(bào)警模塊、沿線管理模塊及IO模塊，通過(guò)IO模塊實(shí)現(xiàn)跑偏、溫度、帶速、綜合控制等信號(hào)收集。皮帶沿線設(shè)備包括多功能擴(kuò)音電話、沿線急停開關(guān)、下位機(jī)、終端采集設(shè)備等，其中1號(hào)、2號(hào)機(jī)尾下機(jī)位安裝跑偏及撕裂監(jiān)控器，2號(hào)機(jī)頭下位機(jī)集成了溫度、帶速、煙霧及綜合控制監(jiān)控器，皮帶沿線設(shè)備采用18V電源線供電，并通過(guò)礦用8芯電纜連接主控制機(jī)。

3、系統(tǒng)要求

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于煤炭井下皮帶輸送機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制，首先需要系統(tǒng)組件具有較高的防爆性能，確保系統(tǒng)工作是安全可靠的。其次是系統(tǒng)要有較好的兼容性，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要兼顧皮帶輸送機(jī)原來(lái)的控制系統(tǒng)，要求新系統(tǒng)和原系統(tǒng)能夠完美融合。還有就是具備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能參數(shù)。最后故障保護(hù)功能，能夠提示故障位置及報(bào)警，為運(yùn)維人員提供故障排查數(shù)據(jù)。

4、細(xì)致化設(shè)計(jì)方案內(nèi)容

4.1硬件設(shè)計(jì)

4.1.1傳感器選型

皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源于各個(gè)傳感器，為了保證監(jiān)控人員能夠獲得較全面的皮帶輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了皮帶運(yùn)行速度傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、跑偏傳感器等。其中速度監(jiān)測(cè)選擇型號(hào)為GSD6礦用本安型速度傳感器，溫度監(jiān)測(cè)選擇型號(hào)為PT100的溫度傳感器，煙霧監(jiān)測(cè)選擇型號(hào)為GQQ0.1的煙霧開關(guān)，跑偏監(jiān)測(cè)選擇型號(hào)為GEJ40的礦用本質(zhì)安全型跑偏傳感器，縱向撕裂監(jiān)測(cè)選擇型號(hào)為GVD30的膠帶縱向撕裂傳感器，同時(shí)配置GUJ50型煤位傳感器和KGU3B型堆煤開關(guān)。

4.1.2攝像儀的選擇

皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置了攝像儀，選擇了型號(hào)為KBA127的礦用隔爆兼本安型攝像儀，使用時(shí)能夠直接接入纜聯(lián)機(jī)，應(yīng)用方便快捷。攝像儀中的自動(dòng)光圈鏡頭，具有較高的倍數(shù)，能夠錄制較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)物。視窗材料為玻璃，經(jīng)過(guò)納米技術(shù)處理，具有很好的透光率，同時(shí)不會(huì)吸附應(yīng)用環(huán)境中的水霧、油污、塵土等微顆粒物質(zhì)，能夠很好地適應(yīng)煤礦井下工作環(huán)境。工作過(guò)程中具有彩色、黑白自動(dòng)轉(zhuǎn)換，亮度自動(dòng)調(diào)整等功能，確保了拍攝畫面的清晰性，以供皮帶輸送機(jī)監(jiān)控人員更全面地掌握其運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境情況。

4.1.3保護(hù)系統(tǒng)

服役中的皮帶輸送機(jī)自帶的保護(hù)系統(tǒng)的抗背景噪聲能力很好，能夠滿足煤炭井下惡劣的工作環(huán)境要求，如爆炸氣體、煤塵、煙霧等。為了提高皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，完善了皮帶輸送機(jī)原有的保護(hù)系統(tǒng)，增設(shè)了集中監(jiān)控、張力調(diào)整、超溫噴水、制動(dòng)、雙機(jī)拖動(dòng)、開機(jī)預(yù)警等功能。與此同時(shí)，為了提高皮帶輸送機(jī)的故障排查效率，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)顯示故障位置及種類，發(fā)出報(bào)警語(yǔ)音，提醒監(jiān)控人員及時(shí)停機(jī)進(jìn)行故障處理，通過(guò)語(yǔ)音對(duì)講可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控室與現(xiàn)場(chǎng)操作工人之間的直接對(duì)話，以便做好運(yùn)維人員的準(zhǔn)確調(diào)度。

4.2軟件設(shè)計(jì)

皮帶機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)流程如下頁(yè)圖2所示，主要分為系統(tǒng)啟動(dòng)、初始化、分配地址、查詢?cè)O(shè)備的工作狀態(tài)、故障處理等版塊。監(jiān)控系統(tǒng)有三種工作模式，在集中控制模式下，皮帶機(jī)和給煤過(guò)程由中心控制，同時(shí)需輸入各種保護(hù)裝置。在本地控制模式下，機(jī)器由手動(dòng)按鈕控制，操作人員可通過(guò)PLC按下;在維護(hù)條件下，皮帶和給煤機(jī)也通過(guò)手動(dòng)按鈕進(jìn)行控制，操作人員也可在觸摸屏中選擇保護(hù)裝置是否需要介入。系統(tǒng)工作模式由控制臺(tái)上的三個(gè)位置選擇器開關(guān)選擇，每次只能選擇一種工作模式;當(dāng)皮帶和給煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，工作模式不能改變，觸摸屏中的指示燈可顯示當(dāng)前的工作模式，監(jiān)控系統(tǒng)用于單帶和給煤機(jī)的監(jiān)控;在集中控制模式下，按下啟停按鈕時(shí)，允許皮帶啟動(dòng)或停止。如果有多個(gè)皮帶，啟動(dòng)信號(hào)可以由上一條皮帶給出，其方向不同于煤流，停止信號(hào)可以由與煤流方向相同的皮帶發(fā)出，設(shè)定時(shí)間可根據(jù)皮帶機(jī)的速度來(lái)確定。

4.3人機(jī)交互界面

4.3.1主控制界面

圖3是監(jiān)控系統(tǒng)的主控制界面，它顯示了輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的大多數(shù)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息，主要包括運(yùn)行模式及狀態(tài)、急停狀態(tài)及位置顯示、沿線所接設(shè)備信息、每部皮帶機(jī)工況狀態(tài)、沿線設(shè)備數(shù)量指示燈、終端電壓，以及地址排序、集控啟停、故障復(fù)位三個(gè)按鈕。

4.3.2故障診斷界面

編寫故障診斷程序，并將關(guān)鍵組件（如電動(dòng)機(jī)、減速器和滾筒）的故障診斷功能添加到皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。故障診斷人機(jī)界面旨在實(shí)現(xiàn)在皮帶機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)顯示輸送機(jī)關(guān)鍵部件的健康和工作狀態(tài)信息，并實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)一體化。皮帶機(jī)的監(jiān)控和故障診斷功能界面顯示。

5、礦用皮帶輸送機(jī)的可持續(xù)發(fā)展

5.1降低能耗

為了踐行節(jié)能減排、綠色發(fā)展的道路，帶式輸送系統(tǒng)減少能耗是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)在礦用皮帶輸送機(jī)降低能耗的研究主要集中在降低滾動(dòng)摩擦阻力。其中一種方向是針對(duì)傳統(tǒng)礦用皮帶輸送機(jī)的托輥滾動(dòng)摩擦阻力，這部分阻力占整機(jī)阻力的20%左右，研發(fā)低阻力托輥降低現(xiàn)有系統(tǒng)的能耗。另一種是改變傳統(tǒng)礦用皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，類似于繩索輸送機(jī)，使用軌道來(lái)實(shí)現(xiàn)輸送帶運(yùn)輸從而降低整機(jī)阻力。

5.2減少污染

礦用皮帶輸送機(jī)在環(huán)境污染方面主要分為粉塵污染和噪聲污染。第一，粉塵污染是散料運(yùn)輸不可避免的問(wèn)題，粉塵過(guò)多會(huì)污染空氣，危害工人健康并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，在條件滿足的情況下甚至?xí)鸱蹓m爆炸。在開采設(shè)計(jì)和決策階段選擇合適礦用皮帶輸送機(jī)類型、減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)并通過(guò)噴水減少粉塵。第二，噪聲污染類似于粉塵污染，物料在轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極大的噪聲，在正常運(yùn)輸過(guò)程中托輥和滾筒所產(chǎn)生的噪聲也無(wú)法完全避免。目前一些針對(duì)滾筒和托輥制造的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及不同材料的應(yīng)用研究表明，可降低12dB的噪聲，降低幅度約為1/7。

5.3自動(dòng)化與智能化

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委提出的“2035年各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化”的目標(biāo)和煤礦、隧道安全生產(chǎn)的實(shí)際需求，自動(dòng)化與智能化是關(guān)鍵因素，未來(lái)將有更多的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)輔助、單人操作且控制更加精準(zhǔn)，同時(shí)智能化系統(tǒng)可以監(jiān)控整機(jī)狀態(tài)為設(shè)備維護(hù)提供輔助判斷，減少維護(hù)頻率，為長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行提供保障。未來(lái)自動(dòng)化及智能化必然會(huì)隨著生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)能力提高而持續(xù)不斷地發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要根據(jù)當(dāng)前皮帶機(jī)常出現(xiàn)的故障問(wèn)題及監(jiān)控系統(tǒng)的問(wèn)題為依據(jù)，再融合實(shí)際調(diào)查工作結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種性能較高、運(yùn)行安全性良好的自動(dòng)化皮帶監(jiān)控故障診斷系統(tǒng)。不過(guò)在設(shè)計(jì)研究的過(guò)程中還是存在著一定的不足之處，在未來(lái)工作總共，更應(yīng)該調(diào)研更多的研究?jī)?nèi)容，為設(shè)計(jì)工作奠定一定的基礎(chǔ)條件。

參考文獻(xiàn)

[1]陳濤.礦用礦用皮帶機(jī)綜合保護(hù)及視頻監(jiān)控裝置的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2020，35（06）：123-124+153.

[2]劉建英.關(guān)于HD-400型礦用礦用皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].煤，2020，29（03）：32-34.

[3]朱雪燕，徐曉光.基于PLC的礦用皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].蚌埠學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，7（05）：67-71.

[4]李宏偉，曲兵妮，李璐，宋建成.礦用礦用皮帶機(jī)擴(kuò)音電話系統(tǒng)研制[J].工礦自動(dòng)化，2017，43（01）：17-21.

[5]李琰瑩，洪鎮(zhèn)南.基于PLC礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2016，32（02）：67-68.

[6]李懷星.井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)改造[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2015，22（09）：31-32.

[7]劉希平，劉麗麗.礦用礦用皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)，2009（10）：45-46+54.