礦用皮帶機監控系統設計與應用研究

朱鵬

摘要? 當前，隨著社會經濟的可持續發展，科學技術的不斷進步，推動著我國群眾生活需求的提升，我國礦井生產規模也在持續的擴大，在這一形式下，礦用運輸系統得以完善和改進。在礦用傳輸機中，皮帶機的特征在于輸送距離較長、運輸穩定，繼而成為當前礦用傳輸機中的關鍵設備?，F階段，國內的皮帶機監控系統在運行過程中還是落后于西方發達國家，運行期間故障問題明顯、操作難度較大，信息采集出現重復多次運行，因此在較為惡劣環境的礦井下進行工作，很容易影響操作人員的正常工作。由此來看，雖然監控系統是皮帶機設備中的較基礎的功能，但還是要緊跟社會時代及礦井的需要進行整改優化，做好對礦用皮帶機監控系統設計，對煤礦企業的發展起到一定的促進作用。

關鍵詞：皮帶機;監控系統;故障定位

1、礦用皮帶機結構特點分析

礦用皮帶機是煤礦開采中三大開采設備之一，其結構主要包括了滾筒、驅動電機皮帶、導向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機等組成。其中，滾筒是礦用皮帶機中的重要部件，與皮帶進行配合，在驅動電機的驅動作用下，能實現將皮帶上的煤礦運輸至指定地點。根據滾筒的功能特點，可將其分為驅動滾筒、改向滾筒、輕型滾筒、中型滾筒、重型滾筒等類型。礦用皮帶機中滾筒結構復雜，包含各類脹套連接和焊接結構，主要分為鍵連接、脹套連接全焊結構，除此之外還包括鑄焊結構。其中帶加強環柱焊結構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。滾筒在實際過程中會出現筒殼磨損嚴重、焊縫開裂、滾筒外殼磨損、輻板變形等失效現象，分析其原因為滾筒在使用過程中受到了來自外部的不均勻沖擊載荷作用，導致滾筒的局部區域出現了較大的結構變形現象，嚴重影響著礦用皮帶機的作業效率。為此，有必要采用有限元分析方法對其結構性能進行分析研究。

2、總體設計

皮帶機監測監控系統總體設計圖如圖1所示，系統采用集中分布式結構，通過控制組合配電單元，全面監測皮帶機工況。系統主要由主控制器和皮帶沿線設備兩大部分組成，主控制器通過RS-485總線連接配電控制模塊（A～H），通過CAN總線控制語音報警模塊、沿線管理模塊及IO模塊，通過IO模塊實現跑偏、溫度、帶速、綜合控制等信號收集。皮帶沿線設備包括多功能擴音電話、沿線急停開關、下位機、終端采集設備等，其中1號、2號機尾下機位安裝跑偏及撕裂監控器，2號機頭下位機集成了溫度、帶速、煙霧及綜合控制監控器，皮帶沿線設備采用18V電源線供電，并通過礦用8芯電纜連接主控制機。

3、系統要求

監控系統應用于煤炭井下皮帶輸送機實時監控與遠程控制，首先需要系統組件具有較高的防爆性能，確保系統工作是安全可靠的。其次是系統要有較好的兼容性，監控系統設計需要兼顧皮帶輸送機原來的控制系統，要求新系統和原系統能夠完美融合。還有就是具備實時監控功能，能夠遠程實時顯示皮帶輸送機的運行狀態和性能參數。最后故障保護功能，能夠提示故障位置及報警，為運維人員提供故障排查數據。

4、細致化設計方案內容

4.1硬件設計

4.1.1傳感器選型

皮帶輸送機監控系統數據來源于各個傳感器，為了保證監控人員能夠獲得較全面的皮帶輸送機實時運行數據，系統設計了皮帶運行速度傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、跑偏傳感器等。其中速度監測選擇型號為GSD6礦用本安型速度傳感器，溫度監測選擇型號為PT100的溫度傳感器，煙霧監測選擇型號為GQQ0.1的煙霧開關，跑偏監測選擇型號為GEJ40的礦用本質安全型跑偏傳感器，縱向撕裂監測選擇型號為GVD30的膠帶縱向撕裂傳感器，同時配置GUJ50型煤位傳感器和KGU3B型堆煤開關。

4.1.2攝像儀的選擇

皮帶輸送機監控系統配置了攝像儀，選擇了型號為KBA127的礦用隔爆兼本安型攝像儀，使用時能夠直接接入纜聯機，應用方便快捷。攝像儀中的自動光圈鏡頭，具有較高的倍數，能夠錄制較遠距離的目標物。視窗材料為玻璃，經過納米技術處理，具有很好的透光率，同時不會吸附應用環境中的水霧、油污、塵土等微顆粒物質，能夠很好地適應煤礦井下工作環境。工作過程中具有彩色、黑白自動轉換，亮度自動調整等功能，確保了拍攝畫面的清晰性，以供皮帶輸送機監控人員更全面地掌握其運行狀態及環境情況。

4.1.3保護系統

服役中的皮帶輸送機自帶的保護系統的抗背景噪聲能力很好，能夠滿足煤炭井下惡劣的工作環境要求，如爆炸氣體、煤塵、煙霧等。為了提高皮帶輸送機監控系統的可靠性，完善了皮帶輸送機原有的保護系統，增設了集中監控、張力調整、超溫噴水、制動、雙機拖動、開機預警等功能。與此同時，為了提高皮帶輸送機的故障排查效率，監控系統能夠及時顯示故障位置及種類，發出報警語音，提醒監控人員及時停機進行故障處理，通過語音對講可以實現監控室與現場操作工人之間的直接對話，以便做好運維人員的準確調度。

4.2軟件設計

皮帶機監測監控系統流程如下頁圖2所示，主要分為系統啟動、初始化、分配地址、查詢設備的工作狀態、故障處理等版塊。監控系統有三種工作模式，在集中控制模式下，皮帶機和給煤過程由中心控制，同時需輸入各種保護裝置。在本地控制模式下，機器由手動按鈕控制，操作人員可通過PLC按下;在維護條件下，皮帶和給煤機也通過手動按鈕進行控制，操作人員也可在觸摸屏中選擇保護裝置是否需要介入。系統工作模式由控制臺上的三個位置選擇器開關選擇，每次只能選擇一種工作模式;當皮帶和給煤機運行時，工作模式不能改變，觸摸屏中的指示燈可顯示當前的工作模式，監控系統用于單帶和給煤機的監控;在集中控制模式下，按下啟停按鈕時，允許皮帶啟動或停止。如果有多個皮帶，啟動信號可以由上一條皮帶給出，其方向不同于煤流，停止信號可以由與煤流方向相同的皮帶發出，設定時間可根據皮帶機的速度來確定。

4.3人機交互界面

4.3.1主控制界面

圖3是監控系統的主控制界面，它顯示了輸送機運行時的大多數實時工作狀態信息，主要包括運行模式及狀態、急停狀態及位置顯示、沿線所接設備信息、每部皮帶機工況狀態、沿線設備數量指示燈、終端電壓，以及地址排序、集控啟停、故障復位三個按鈕。

4.3.2故障診斷界面

編寫故障診斷程序，并將關鍵組件（如電動機、減速器和滾筒）的故障診斷功能添加到皮帶機監控系統中。故障診斷人機界面旨在實現在皮帶機運行時實時顯示輸送機關鍵部件的健康和工作狀態信息，并實現皮帶機一體化。皮帶機的監控和故障診斷功能界面顯示。

5、礦用皮帶輸送機的可持續發展

5.1降低能耗

為了踐行節能減排、綠色發展的道路，帶式輸送系統減少能耗是今后發展的必然趨勢?，F在礦用皮帶輸送機降低能耗的研究主要集中在降低滾動摩擦阻力。其中一種方向是針對傳統礦用皮帶輸送機的托輥滾動摩擦阻力，這部分阻力占整機阻力的20%左右，研發低阻力托輥降低現有系統的能耗。另一種是改變傳統礦用皮帶輸送機結構，類似于繩索輸送機，使用軌道來實現輸送帶運輸從而降低整機阻力。

5.2減少污染

礦用皮帶輸送機在環境污染方面主要分為粉塵污染和噪聲污染。第一，粉塵污染是散料運輸不可避免的問題，粉塵過多會污染空氣，危害工人健康并造成嚴重的環境污染，在條件滿足的情況下甚至會引起粉塵爆炸。在開采設計和決策階段選擇合適礦用皮帶輸送機類型、減少轉運次數并通過噴水減少粉塵。第二，噪聲污染類似于粉塵污染，物料在轉運的過程中會產生極大的噪聲，在正常運輸過程中托輥和滾筒所產生的噪聲也無法完全避免。目前一些針對滾筒和托輥制造的特殊結構設計以及不同材料的應用研究表明，可降低12dB的噪聲，降低幅度約為1/7。

5.3自動化與智能化

根據國家發改委提出的“2035年各類煤礦基本實現智能化”的目標和煤礦、隧道安全生產的實際需求，自動化與智能化是關鍵因素，未來將有更多的設備可以實現由計算機輔助、單人操作且控制更加精準，同時智能化系統可以監控整機狀態為設備維護提供輔助判斷，減少維護頻率，為長時間可靠運行提供保障。未來自動化及智能化必然會隨著生產效率和安全生產能力提高而持續不斷地發展。

結語

綜上所述，本文主要根據當前皮帶機常出現的故障問題及監控系統的問題為依據，再融合實際調查工作結果，設計了一種性能較高、運行安全性良好的自動化皮帶監控故障診斷系統。不過在設計研究的過程中還是存在著一定的不足之處，在未來工作總共，更應該調研更多的研究內容，為設計工作奠定一定的基礎條件。

參考文獻

[1]陳濤.礦用礦用皮帶機綜合保護及視頻監控裝置的應用[J].機械管理開發，2020，35（06）：123-124+153.

[2]劉建英.關于HD-400型礦用礦用皮帶機監控系統的改進設計[J].煤，2020，29（03）：32-34.

[3]朱雪燕，徐曉光.基于PLC的礦用皮帶機監控系統的研究與設計[J].蚌埠學院學報，2018，7（05）：67-71.

[4]李宏偉，曲兵妮，李璐，宋建成.礦用礦用皮帶機擴音電話系統研制[J].工礦自動化，2017，43（01）：17-21.

[5]李琰瑩，洪鎮南.基于PLC礦用皮帶運輸機監控系統設計[J].輕工科技，2016，32（02）：67-68.

[6]李懷星.井下皮帶運輸系統集中監控系統技術改造[J].技術與市場，2015，22（09）：31-32.

[7]劉希平，劉麗麗.礦用礦用皮帶機監控系統的設計[J].電氣技術，2009（10）：45-46+54.