井下皮帶運輸機監(jiān)測與預警系統(tǒng)研究

崔志強

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000）

皮帶運輸作為井下運輸的關鍵環(huán)節(jié)，其工作性能的高低直接影響到礦井生產能力和工作人員的人身安全。因此對運輸系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測和故障預警，實現精準控制，已成為當前穩(wěn)定運輸機性能的重要手段[1-2]。本文基于常村礦井下帶式運輸機故障頻發(fā)、處理措施滯后等問題，提出構建運輸機監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)，集中解決處理礦井皮帶速度、跑偏等多種問題，提高礦井運輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 工程背景

常村礦所采3#煤層均厚5.85m，煤層傾角0°～7°，埋藏深度為 453.2～517.7m 之間。目前礦井共有23部主運輸皮帶機，其中+520水平15部，+470水平8部。

井下皮帶常見問題主要有以下幾個方面：（1）皮帶速度3.15m/s，超速保護動作在115%～120%范圍內，低速保護動作在50%～60%之間；（2）皮帶跑偏每天都會發(fā)生，工作人員發(fā)現處理滯后；（3）皮帶縱向撕裂每年會有1次；（4）由于堆煤傳感器為水銀式，所以平均每天都會誤動作。

2 皮帶運輸系統(tǒng)總體監(jiān)控方案

當下礦井皮帶運輸系統(tǒng)控制方式多樣，常用有PLC控制方式、繼電器控制方式、單片機控制方式和工業(yè)計算機系統(tǒng)控制方式等[3]。

在上述控制系統(tǒng)中，使用PLC控制方式更加有利：（1）繼電器控制方式穩(wěn)定性差，結構復雜，成本高，而且不利于后期維修整改；（2）單片機控制方式開發(fā)難度高，使用復雜，安裝困難；（3）工業(yè)計算機系統(tǒng)控制方式成本高，結構復雜，快速安裝部署困難[4]。

井下PLC裝置主要采用日本三菱的FX2N系列[5]。通過該系統(tǒng)，主站可以向從站發(fā)送指令，實時監(jiān)控和管理各個皮帶運輸機。當皮帶運輸發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)能夠及時關停皮帶運輸機，并基于故障進行預警，同時判定故障，跟蹤位置。同時為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)配備兩臺上位控制主機，避免單臺主機故障，系統(tǒng)崩潰的情況，從而保證地面監(jiān)控中心監(jiān)控的實時性和全面性。其中PLC接線圖具體如圖1所示。

圖1 PLC接線示意圖

3 皮帶運輸系統(tǒng)異常識別及監(jiān)測

皮帶狀態(tài)異常識別監(jiān)測通過基于相關傳感電路，實現對皮帶運輸速度、皮帶跑偏、電機溫度等多因素的預警。本文基于礦井皮帶運輸實際問題，針對性地對皮帶速度、皮帶跑偏和堆煤等多發(fā)問題進行敘述。

3.1 皮帶運輸速度

皮帶運輸速度異常主要是由皮帶轉速異常和電機轉矩異常導致，因此對兩者的監(jiān)測質量的高低直接影響對皮帶運輸速度問題的處理。

井下采用GSC6-SC速度傳感器，并將其安裝在皮帶上，通過監(jiān)測皮帶運行函數實現皮帶速度信息采集。

電機轉矩監(jiān)測采用CQG傳感器，裝置首先對電機與負載轉動過程中的脈沖相位差進行采集，然后計算推導出電機轉軸的扭矩，傳感器的監(jiān)測結構示意圖具體如圖2所示。

圖2 電機扭矩監(jiān)測結構示意圖

在應對皮帶速度問題時，基于前述因素的監(jiān)測，通過有效整合和分析處理皮帶運輸的異常特征，然后形成相應的控制策略，最后發(fā)布質量傳達各個作業(yè)面進行處理。具體流程如圖3所示。

圖3 皮帶速度監(jiān)測系統(tǒng)運作流程

3.2 皮帶跑偏

井下采用KPT跑偏開關對皮帶跑偏進行監(jiān)測和預警，該裝置被安裝在皮帶運輸機的機頭處，能夠對皮帶輕微跑偏和嚴重跑偏進行監(jiān)測。當發(fā)生跑偏問題時，裝置發(fā)出報警，方便工作人員及時處理和維修，增強了對皮帶傳輸的保護能力。

3.3 皮帶堆煤

堆煤現象一般發(fā)生在皮帶運輸機機頭位置。堆煤監(jiān)測的實質就是利用傳感器實時檢驗皮帶機機頭煤堆。井下采用GUD-330-D堆煤傳感器，并將其主要安裝在機頭溜煤眼和皮帶搭接位置。當煤堆高度達到限定高度時會觸發(fā)傳感器，煤堆與裝置探頭形成回路，此時傳感器內部報警線路工作，皮帶也相應停止。傳感器工作原理具體如圖4所示。

圖4 堆煤傳感器監(jiān)測原理

4 地面監(jiān)控系統(tǒng)

前述機電裝置構建了皮帶運輸機監(jiān)測預警系統(tǒng)的硬件基礎，監(jiān)測所得數據需實時、準確地反饋到地面監(jiān)控中心進行處理，進而進行后續(xù)的決策與工作部署。因此地面監(jiān)控系統(tǒng)的質量直接關系到皮帶運輸機的穩(wěn)定、維護等一系列程序工作。

在地面皮帶區(qū)域安置有2臺上位主機，避免故障造成的系統(tǒng)癱瘓，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，上位主機輔助裝置有視頻分配裝置、視頻光接收裝置以及服務器等，同時為了便于監(jiān)視，監(jiān)控中心采用液晶顯示器實時顯示皮帶運輸機運輸狀態(tài)。通過上述裝置的使用，可以達到對井下皮帶運輸機狀態(tài)參數的實時監(jiān)控與故障預警，同時能夠查詢歷史記錄，結合過往數據，為相關決策提供依據。

上述系統(tǒng)于2018年6月5日投入使用，已運行近11個月。基于上述系統(tǒng)，皮帶速度問題得到有效解決，較系統(tǒng)應用前發(fā)生頻率降低了約34%；皮帶跑偏得到及時治理，在系統(tǒng)運行期間，嚴重跑偏未再發(fā)生，輕微跑偏發(fā)生頻率降低了約27%；皮帶縱向撕裂未再發(fā)生；堆煤誤操作情況發(fā)生頻率降低了約45%。需要說明的是，以上未應用系統(tǒng)時的事故頻率采集時間為2017年6月1日至2018年4月30日，應用系統(tǒng)事故頻率統(tǒng)計時間為2018年6月5日至2019年4月30日。

5 結論

本文基于常村礦井下帶式運輸機故障頻發(fā)、處理措施滯后等問題，針對性地提出了井下皮帶運輸機監(jiān)測與預警系統(tǒng)，從系統(tǒng)控制裝置選用及方案配置、皮帶運輸機傳感裝置的原理及作用、地面監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控預警等多個方面進行闡述。該系統(tǒng)經過實際驗證，在保證皮帶運輸機正常作業(yè)的情況下，降低了故障發(fā)生頻率，為礦井的安全運輸奠定了基礎。