带式输送机自动监测及预警系统研究

温培军

（山西焦煤西山煤电太原选煤厂，山西 太原 030023）

引言

带式输送机是煤矿井下物料运输的核心装备，具有运输稳定性高、可靠性好、运行成本低的优点，其运行稳定性和可靠性直接决定了煤矿井下物料运输的安全性[1]。随着输送机不断朝着大运量、高带速、长距离方向发展，再加上使用环境恶劣，导致输送机在运行过程中经常出现断带、撕裂、打滑、跑偏等异常情况，严重影响了输送机的正常运行。目前所采用的输送机运行监测系统，主要是对输送机运行时的张力、电机运行情况进行监测，无法满足输送机系统的运行可靠性需求。

结合输送机运行情况及常见故障类别，在对各种故障特性进行分析的基础上，本文提出了一种新的带式输送机自动监测及预警系统，实现了对不同故障类别的智能监测和报警。根据实际应用表明，该系统的故障识别准确性达到了99.4%，有效提升了输送机系统在运行时的稳定性。

1 输送机系统常见故障类别

建立输送机故障监测和预警系统的前提是对输送机在运行过程中的常见故障和特性进行研究，根据对输送机近3 年来的故障类型统计，输送机常见的故障类型主要是输送带跑偏，占据总故障数量的37%，输送带打滑占据故障总数量的19%，输送带驱动装置故障占比约为17%，输送带纵向撕裂占比约为15%，其他故障类型占比约为12%[2]。

输送机系统常见故障类别如图1 所示[3]。

图1 输送机常见故障类别示意图

1）输送带跑偏：主要是输送机在长距离运行中由于输送带受力不均匀导致的，输送带跑偏时会导致输送带偏向一侧。通过在输送带两侧设置红外光栅即可对输送带的偏位情况进行实时监测和预警。

2）输送带打滑：输送带打滑主要是由于输送带和驱动滚筒间的摩擦力不够导致的，通常是由于输送带波动、张紧力不足而引起的，因此通过对输送机运行时张紧力的监测即可判断。当出现打滑时会导致在打滑位置的磨损加剧、温度升高，通过增加烟雾传感器、温度传感器、红外传感器等可进行辅助判断。

3）驱动装置故障：驱动电机运行故障时可以通过对其工作电流、电压、电机运行温度的监测进行判断。

4）输送带纵向撕裂：主要是输送带在落料冲击、煤矸石等的作用下导致输送带沿着纵向开裂，开裂后会产生显著的裂纹，因此可以通过在回程段设置视频监测装置来进行判断。

2 自动监测及预警系统结构示意图

根据输送机运行特性及故障监测需求，本文所提出的带式输送机自动监测及预警系统采用了模块化的结构设计模式，根据不同的功能对其进行模块化划分，能够根据不同煤矿的输送机运行监测需求灵活地调整，提高系统的使用灵活性。该监测及预警系统整体结构如下页图2 所示[4]。

图2 输送机监测及预警系统结构示意图

由图2 可知，该监测及预警系统包括了主控模块及沿线设备模块两个部分，主控模块以PLC 处理器为核心，包含各类组合配电控制模块，用于接收各监测设备的数据信息，对各类信息进行分析汇总，确定输送机的运行状态及故障位置并控制其发布预警信息。在主控模块中语音预警模块用于控制沿输送机及控制中心布置的各类语音和报警设备，及时发布语音、声光报警信息。沿线设备控制模块主要是用于现场设备采集信息和上下位机之间的指令传递，起到数据转换作用。I/O 控制模块主要是不同信号量之间的转换，提高数据分析的精确性和传输可靠性。

沿线设备模块主要包含了各类传感器设备，用于对输送机运行时的状态进行实时监测，为控制中心的判断和决策提供依据。主控模块和沿线设备模块之间的数据信息主要通过CAN 数据总线结构进行传递，保证数据传输的效率和抗干扰性。

3 硬件方案设计

由于输送机的使用环境较复杂，因此监测及预警系统内的各种零部件在满足监测精度的前提下需要满足使用可靠性的需求[5]。

PLC 是整个控制系统的“大脑”，要求其具有快速处理问题的能力和高可靠性，通过对多种PLC 的实际对比验证，确定采用西门子S7-300 型控制器，其具有处理速度快、扩展性能好、可靠性高的优势。

温度传感器：主要用于对输送带和驱动电机处的温度进行监测，及时对输送带打滑或者电机异常进行报警，所选用的温度传感器的测量范围为0～200 ℃，测量误差为±1%。

速度传感器：主要用于对输送机运行时的带速进行监测，防止出现打滑或者超速异常，所选用的速度传感器为GSC6-SC 型，其测速范围为0～7 m/s，测量误差为3%，满足输送机系统的测速要求。

张力传感器：主要用于对输送机系统在运行过程中的输送带张力进行监测，防止出现因张力突变而导致的打滑、撕裂等异常，张力传感器选型为GAD80 型[6]，其测量范围为0～80 kN，测量误差为2%，能够满足输送机系统在运行过程中的张力监测需求。

电流、电压传感器：用于对输送机系统运行时驱动电机的运行电流和电压进行监测，避免驱动电机出现功率失稳或者异常导致的驱动系统故障。

烟雾传感器：主要用于防止输送机系统皮带摩擦过热导致的起火异常，主要设置在和驱动滚筒接触的位置，可选择GQQ0.1 型烟雾传感器，其响应时间小于10 s，能够及时进行故障判断和响应。

4 软件控制方案及应用效果

为了满足监测可靠性的需求，项目组开发了一种新输送机运行状态自动监测及预警控制程序。在系统运行时首先对各设备和软件的工作状态进行监测，当均无故障时系统开始运行，当出现异常时系统上传传感器位置并进行判定，提醒工作人员进行故障排除，然后人工复位，该系统启动流程如图3所示[7]。

图3 监测及预警系统控制流程图

目前该系统已在多个煤矿投入使用，根据对1 337 次报警情况分析，正确预警的次数为1329次，正确预警率达到了99.4%，对提升输送机系统的运行稳定性和可靠性具有十分重要的意义。

5 结论

针对目前输送机监测系统自动化程度低、功能单一、误报率高的不足，提出了一种新的带式输送机自动监测及预警系统，对输送机故障监测及预警系统的结构和应用情况进行了研究，结果表明：

1）输送机常见的故障类型主要是输送带跑偏、输送带打滑、输送带驱动装置故障、输送带纵向撕裂。

2）带式输送机自动监测及预警系统采用了模块化的结构设计模式，根据不同的功能对其进行模块化划分，能够根据不同煤矿的输送机运行监测需求灵活地调整，提高系统的使用灵活性。

3）该系统的故障识别准确性达到了99.4%，对提升输送机系统的运行稳定性和可靠性具有十分重要的意义。