帶式輸送機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)研究

溫培軍

（山西焦煤西山煤電太原選煤廠，山西 太原 030023）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下物料運(yùn)輸?shù)暮诵难b備，具有運(yùn)輸穩(wěn)定性高、可靠性好、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下物料運(yùn)輸?shù)陌踩訹1]。隨著輸送機(jī)不斷朝著大運(yùn)量、高帶速、長(zhǎng)距離方向發(fā)展，再加上使用環(huán)境惡劣，導(dǎo)致輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)斷帶、撕裂、打滑、跑偏等異常情況，嚴(yán)重影響了輸送機(jī)的正常運(yùn)行。目前所采用的輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的張力、電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)法滿足輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性需求。

結(jié)合輸送機(jī)運(yùn)行情況及常見(jiàn)故障類(lèi)別，在對(duì)各種故障特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的帶式輸送機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同故障類(lèi)別的智能監(jiān)測(cè)和報(bào)警。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)的故障識(shí)別準(zhǔn)確性達(dá)到了99.4%，有效提升了輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

1 輸送機(jī)系統(tǒng)常見(jiàn)故障類(lèi)別

建立輸送機(jī)故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的前提是對(duì)輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的常見(jiàn)故障和特性進(jìn)行研究，根據(jù)對(duì)輸送機(jī)近3 年來(lái)的故障類(lèi)型統(tǒng)計(jì)，輸送機(jī)常見(jiàn)的故障類(lèi)型主要是輸送帶跑偏，占據(jù)總故障數(shù)量的37%，輸送帶打滑占據(jù)故障總數(shù)量的19%，輸送帶驅(qū)動(dòng)裝置故障占比約為17%，輸送帶縱向撕裂占比約為15%，其他故障類(lèi)型占比約為12%[2]。

輸送機(jī)系統(tǒng)常見(jiàn)故障類(lèi)別如圖1 所示[3]。

圖1 輸送機(jī)常見(jiàn)故障類(lèi)別示意圖

1）輸送帶跑偏：主要是輸送機(jī)在長(zhǎng)距離運(yùn)行中由于輸送帶受力不均勻?qū)е碌?，輸送帶跑偏時(shí)會(huì)導(dǎo)致輸送帶偏向一側(cè)。通過(guò)在輸送帶兩側(cè)設(shè)置紅外光柵即可對(duì)輸送帶的偏位情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2）輸送帶打滑：輸送帶打滑主要是由于輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒間的摩擦力不夠?qū)е碌?，通常是由于輸送帶波?dòng)、張緊力不足而引起的，因此通過(guò)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)張緊力的監(jiān)測(cè)即可判斷。當(dāng)出現(xiàn)打滑時(shí)會(huì)導(dǎo)致在打滑位置的磨損加劇、溫度升高，通過(guò)增加煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器等可進(jìn)行輔助判斷。

3）驅(qū)動(dòng)裝置故障：驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行故障時(shí)可以通過(guò)對(duì)其工作電流、電壓、電機(jī)運(yùn)行溫度的監(jiān)測(cè)進(jìn)行判斷。

4）輸送帶縱向撕裂：主要是輸送帶在落料沖擊、煤矸石等的作用下導(dǎo)致輸送帶沿著縱向開(kāi)裂，開(kāi)裂后會(huì)產(chǎn)生顯著的裂紋，因此可以通過(guò)在回程段設(shè)置視頻監(jiān)測(cè)裝置來(lái)進(jìn)行判斷。

2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)輸送機(jī)運(yùn)行特性及故障監(jiān)測(cè)需求，本文所提出的帶式輸送機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，根據(jù)不同的功能對(duì)其進(jìn)行模塊化劃分，能夠根據(jù)不同煤礦的輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)需求靈活地調(diào)整，提高系統(tǒng)的使用靈活性。該監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示[4]。

圖2 輸送機(jī)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)包括了主控模塊及沿線設(shè)備模塊兩個(gè)部分，主控模塊以PLC 處理器為核心，包含各類(lèi)組合配電控制模塊，用于接收各監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行分析匯總，確定輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障位置并控制其發(fā)布預(yù)警信息。在主控模塊中語(yǔ)音預(yù)警模塊用于控制沿輸送機(jī)及控制中心布置的各類(lèi)語(yǔ)音和報(bào)警設(shè)備，及時(shí)發(fā)布語(yǔ)音、聲光報(bào)警信息。沿線設(shè)備控制模塊主要是用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集信息和上下位機(jī)之間的指令傳遞，起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換作用。I/O 控制模塊主要是不同信號(hào)量之間的轉(zhuǎn)換，提高數(shù)據(jù)分析的精確性和傳輸可靠性。

沿線設(shè)備模塊主要包含了各類(lèi)傳感器設(shè)備，用于對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為控制中心的判斷和決策提供依據(jù)。主控模塊和沿線設(shè)備模塊之間的數(shù)據(jù)信息主要通過(guò)CAN 數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂垢蓴_性。

3 硬件方案設(shè)計(jì)

由于輸送機(jī)的使用環(huán)境較復(fù)雜，因此監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)的各種零部件在滿足監(jiān)測(cè)精度的前提下需要滿足使用可靠性的需求[5]。

PLC 是整個(gè)控制系統(tǒng)的“大腦”，要求其具有快速處理問(wèn)題的能力和高可靠性，通過(guò)對(duì)多種PLC 的實(shí)際對(duì)比驗(yàn)證，確定采用西門(mén)子S7-300 型控制器，其具有處理速度快、擴(kuò)展性能好、可靠性高的優(yōu)勢(shì)。

溫度傳感器：主要用于對(duì)輸送帶和驅(qū)動(dòng)電機(jī)處的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)輸送帶打滑或者電機(jī)異常進(jìn)行報(bào)警，所選用的溫度傳感器的測(cè)量范圍為0～200 ℃，測(cè)量誤差為±1%。

速度傳感器：主要用于對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的帶速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)打滑或者超速異常，所選用的速度傳感器為GSC6-SC 型，其測(cè)速范圍為0～7 m/s，測(cè)量誤差為3%，滿足輸送機(jī)系統(tǒng)的測(cè)速要求。

張力傳感器：主要用于對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的輸送帶張力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)因張力突變而導(dǎo)致的打滑、撕裂等異常，張力傳感器選型為GAD80 型[6]，其測(cè)量范圍為0～80 kN，測(cè)量誤差為2%，能夠滿足輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的張力監(jiān)測(cè)需求。

電流、電壓傳感器：用于對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行電流和電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)功率失穩(wěn)或者異常導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障。

煙霧傳感器：主要用于防止輸送機(jī)系統(tǒng)皮帶摩擦過(guò)熱導(dǎo)致的起火異常，主要設(shè)置在和驅(qū)動(dòng)滾筒接觸的位置，可選擇GQQ0.1 型煙霧傳感器，其響應(yīng)時(shí)間小于10 s，能夠及時(shí)進(jìn)行故障判斷和響應(yīng)。

4 軟件控制方案及應(yīng)用效果

為了滿足監(jiān)測(cè)可靠性的需求，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了一種新輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警控制程序。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先對(duì)各設(shè)備和軟件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)均無(wú)故障時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)上傳傳感器位置并進(jìn)行判定，提醒工作人員進(jìn)行故障排除，然后人工復(fù)位，該系統(tǒng)啟動(dòng)流程如圖3所示[7]。

圖3 監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)控制流程圖

目前該系統(tǒng)已在多個(gè)煤礦投入使用，根據(jù)對(duì)1 337 次報(bào)警情況分析，正確預(yù)警的次數(shù)為1329次，正確預(yù)警率達(dá)到了99.4%，對(duì)提升輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

針對(duì)目前輸送機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、功能單一、誤報(bào)率高的不足，提出了一種新的帶式輸送機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)輸送機(jī)故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1）輸送機(jī)常見(jiàn)的故障類(lèi)型主要是輸送帶跑偏、輸送帶打滑、輸送帶驅(qū)動(dòng)裝置故障、輸送帶縱向撕裂。

2）帶式輸送機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，根據(jù)不同的功能對(duì)其進(jìn)行模塊化劃分，能夠根據(jù)不同煤礦的輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)需求靈活地調(diào)整，提高系統(tǒng)的使用靈活性。

3）該系統(tǒng)的故障識(shí)別準(zhǔn)確性達(dá)到了99.4%，對(duì)提升輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。