煤礦井下帶式輸送機自動化控制系統設計

劉鵬飛

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦機電科，山西大同 037003）

0 引言

帶式輸送機是煤礦重要的井下煤炭運輸設備，在煤炭運輸過程中扮演著不可或缺的角色，能否安全穩定運行將直接影響煤礦的開采效率[1]。隨著目前煤礦井下設備開采強度的增加，開采周期的延長，對帶式輸送機的質量提出了更大的考驗。煤炭運輸過程中帶式輸送機會出現各種各樣的故障，如皮帶打滑、跑偏、撕裂等情況，影響了帶式輸送機的工作壽命，降低了煤炭的開采效率。一般情況下對于帶式輸送機采用人工巡檢的方式進行故障查詢，這樣的保護方式低效且存在盲區，難以滿足煤礦生產需求，對帶式輸送機系統的自動化改造已是大勢所趨[2]。本文基于微控制器技術、傳感器檢測技術、計算機技術設計了一種新型的自動化控制系統。

1 故障情況

礦井下開采環境復雜多變，皮帶運輸機作為巨型運輸設備，隨著開采強度的增加，在煤炭運輸過程中，會出現諸多故障，主要故障及原因有以下幾種[3]。

（1）皮帶跑偏。皮帶跑偏在帶式輸送機日常故障中占有比重比較大，本質為皮帶中軸線與支架中心不在同一直線上，可能是由于誤安裝引起，也可能是在皮帶運行過程中引起。長時間的皮帶跑偏會引起皮帶撕裂，影響使用壽命，更甚者可能會使皮帶支架坍塌。

（2）皮帶堆煤。皮帶堆煤現象是由于輸送機長期撒料引起的。運輸機撒料一般有2種原因：一種是由于皮帶跑偏引起的，另一種是由于皮帶長期懸空引起的。

（3）皮帶打滑。皮帶打滑主要是指皮帶工作過程中張力不足引起的原地滑動現象，可能是絞車拉力不足或者配重方式不合理引起的。另外，驅動滾筒表面膠皮磨損，造成驅動摩擦力不足，也會導致皮帶打滑現象的發生。皮帶打滑現象會導致皮帶驅動滾筒表面迅速升溫，給驅動滾筒及打滑處皮帶帶來難以修復的傷害。

（4）皮帶撕裂。皮帶撕裂是由于皮帶運輸機長期處于高強度工作狀態，致使皮帶表面保護膠皮磨損引起的，這樣會導致皮帶強度下降，皮帶拉伸強度得不到保障，最終導致斷帶或縱向撕裂事故的發生。皮帶一旦發生斷裂，不僅影響了煤炭運輸的進度，還會造成人身傷亡事故的發生。

2 系統總體方案

圖1 帶式輸送機自動化控制系統總體方案

整個自動化控制系統主要由上位機、井下傳感器檢測系統、PLC主控制器、聲光報警裝置組成。帶式輸送機自動化控制系統總體設計方案如圖1所示。其中，井下傳感器檢測系統由各類礦用傳感器構成，包括跑偏傳感器、撕裂傳感器、堆煤傳感器、溫度傳感器、速度傳感器，負責檢測皮帶運輸機的運行工況，包括堆煤、跑偏、撕裂、溫度等生產參數；PLC主控制器主要用于對檢測信息進行分析處理，并發送控制指令實現皮帶運輸機的啟動和關停，對其進行保護，同時將故障信息上傳給上位機；聲光報警裝置用于自動化控制系統的故障報警；上位機主要實現檢測數據的上傳以及控制指令的下達，對整個自動化控制系統進行遠程監控。

3 硬件方案

為應對井下復雜的工作環境，隨時預警皮帶運輸系統可能存在的安全隱患及設備故障信息，精確獲得需要檢測的數據，對輸送機進行實時保護，保障其安全穩定運行，對各部分硬件設備進行了相應選型。

3.1 PLC主控制器

PLC主控制器在自動化控制系統中扮演著重要的角色[4]，通過它可實現對帶式輸送機的故障預警、故障保護、電機啟停。根據自動化控制系統所要實現的功能需求，本文選用德國西門子S7-300系列PLC作為主控制器。該系列控制器性價比高、電磁兼容性強、可靠性高，非常適合應用于煤礦領域[5]。

3.2 皮帶跑偏檢測單元

跑偏傳感器選用型號為GEJ30，可對帶式輸送機的皮帶跑偏情況進行檢測。將跑偏傳感器安裝在帶式輸送機底座兩側，布設間隔為30～50 m，不限制安裝數量，并且均為并聯連接。傳感器設定一定的閾值，當皮帶偏離值超過閾值時，PLC主控制器會接收反饋信息，并進行保護控制，同時標識跑偏區域，工作人員可根據標識區域對跑偏皮帶進行詳細檢查并更換[6]。

3.3 皮帶堆煤檢測單元

堆煤傳感器選用型號為GUJ30，將堆煤傳感器安裝在皮帶輸送機低洼處。當發生堆煤現象時，堆煤傳感器將信號向PLC主控制器實時傳送，此時控制器顯示超出安全值并啟動相應保護機制，同時標識堆煤具體區域，工作人員可根據標識區域對堆煤情況進行處理。

3.4 皮帶打滑檢測單元

選用型號為KG5007A的速度傳感器對皮帶打滑現象進行檢測，將速度傳感器安裝在皮帶運輸機端頭滾筒及皮帶中部。PLC主控制器通過設定值與實際值的速度差值比對開判定皮帶是否產生打滑現象，適時啟動控制保護系統，并組織工作人員對故障點進行檢查并進行故障保護。在皮帶打滑時為避免更大事故發生，在驅動滾筒處安裝驅動滾筒溫度保護，選用型號為GWD100的溫度傳感器。

3.5 皮帶撕裂檢測單元

撕裂傳感器選用型號為GVD1200，將其安裝在皮帶運輸機端頭張緊設備內。帶式輸送機在正常工作過程時張緊力一般為固定值，當該數值減小時即可視為皮帶撕裂，此時立即關停帶式輸送機并啟動保護機制，及時組織工作人員對存在問題的膠帶進行更換。

4 軟件方案

帶式輸送機自動化控制系統軟件方案設計包括PLC下位機程序和上位機監控軟件2部分。下位機程序主要由系統保護程序和系統控制程序組成。系統控制程序包括輸送機啟停程序；系統保護程序包括對輸送帶的跑偏、打滑、撕裂等非正常情況的故障報警程序、故障保護程序。本系統采用相應的STEP7軟件，通過梯形圖的方式對PLC主控制器進行程序編寫[7]，將編寫好的程序存儲于PLC的CPU內，整個自動化控制系統根據設定好的程序安全運行。下位機程序示意圖如圖2所示。

圖2 下位機監控程序示意圖

當PLC主控制器檢測到帶式輸送機系統發生故障時，觸發故障報警程序，并立即關停運輸機，轉入故障保護程序，保證帶式輸送機的安全運行。

上位機監控軟件主要起監控作用，實現各類故障信息的顯示，并向下位機傳送各參數的設定值，發送控制命令參數等。系統采用Visual Basic這一用戶最多、應用領域最為廣泛的開發工具[8]。上位機監控軟件可視化框架圖如圖3所示。

圖3 上位機監控軟件可視化框架圖

5 結束語

為保障帶式輸送機在礦井下安全穩定運行，本文基于計算機技術、微控制器技術、傳感器檢測技術等提出一種新型的自動化控制系統，該系統可實現對帶式輸送機系統的全方位監測，包括打滑、堆煤、跑偏、撕裂、過溫等情況，并可對這些情況進行故障預警和故障保護；上位機監控軟件具有友好的人機界面，可實現遠程監控功能。該系統已在礦井下進行了測試，具有很好的應用效果，大大提高了煤炭運輸的效率，降低了運輸設備的故障風險。