井下皮带运输机监测与预警系统研究

崔志强

（山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西 长治 046000）

皮带运输作为井下运输的关键环节，其工作性能的高低直接影响到矿井生产能力和工作人员的人身安全。因此对运输系统状态的监测和故障预警，实现精准控制，已成为当前稳定运输机性能的重要手段[1-2]。本文基于常村矿井下带式运输机故障频发、处理措施滞后等问题，提出构建运输机监测与故障预警系统，集中解决处理矿井皮带速度、跑偏等多种问题，提高矿井运输系统的稳定性。

1 工程背景

常村矿所采3#煤层均厚5.85m，煤层倾角0°～7°，埋藏深度为 453.2～517.7m 之间。目前矿井共有23部主运输皮带机，其中+520水平15部，+470水平8部。

井下皮带常见问题主要有以下几个方面：（1）皮带速度3.15m/s，超速保护动作在115%～120%范围内，低速保护动作在50%～60%之间；（2）皮带跑偏每天都会发生，工作人员发现处理滞后；（3）皮带纵向撕裂每年会有1次；（4）由于堆煤传感器为水银式，所以平均每天都会误动作。

2 皮带运输系统总体监控方案

当下矿井皮带运输系统控制方式多样，常用有PLC控制方式、继电器控制方式、单片机控制方式和工业计算机系统控制方式等[3]。

在上述控制系统中，使用PLC控制方式更加有利：（1）继电器控制方式稳定性差，结构复杂，成本高，而且不利于后期维修整改；（2）单片机控制方式开发难度高，使用复杂，安装困难；（3）工业计算机系统控制方式成本高，结构复杂，快速安装部署困难[4]。

井下PLC装置主要采用日本三菱的FX2N系列[5]。通过该系统，主站可以向从站发送指令，实时监控和管理各个皮带运输机。当皮带运输发生故障时，控制系统能够及时关停皮带运输机，并基于故障进行预警，同时判定故障，跟踪位置。同时为保证系统的稳定性，系统配备两台上位控制主机，避免单台主机故障，系统崩溃的情况，从而保证地面监控中心监控的实时性和全面性。其中PLC接线图具体如图1所示。

图1 PLC接线示意图

3 皮带运输系统异常识别及监测

皮带状态异常识别监测通过基于相关传感电路，实现对皮带运输速度、皮带跑偏、电机温度等多因素的预警。本文基于矿井皮带运输实际问题，针对性地对皮带速度、皮带跑偏和堆煤等多发问题进行叙述。

3.1 皮带运输速度

皮带运输速度异常主要是由皮带转速异常和电机转矩异常导致，因此对两者的监测质量的高低直接影响对皮带运输速度问题的处理。

井下采用GSC6-SC速度传感器，并将其安装在皮带上，通过监测皮带运行函数实现皮带速度信息采集。

电机转矩监测采用CQG传感器，装置首先对电机与负载转动过程中的脉冲相位差进行采集，然后计算推导出电机转轴的扭矩，传感器的监测结构示意图具体如图2所示。

图2 电机扭矩监测结构示意图

在应对皮带速度问题时，基于前述因素的监测，通过有效整合和分析处理皮带运输的异常特征，然后形成相应的控制策略，最后发布质量传达各个作业面进行处理。具体流程如图3所示。

图3 皮带速度监测系统运作流程

3.2 皮带跑偏

井下采用KPT跑偏开关对皮带跑偏进行监测和预警，该装置被安装在皮带运输机的机头处，能够对皮带轻微跑偏和严重跑偏进行监测。当发生跑偏问题时，装置发出报警，方便工作人员及时处理和维修，增强了对皮带传输的保护能力。

3.3 皮带堆煤

堆煤现象一般发生在皮带运输机机头位置。堆煤监测的实质就是利用传感器实时检验皮带机机头煤堆。井下采用GUD-330-D堆煤传感器，并将其主要安装在机头溜煤眼和皮带搭接位置。当煤堆高度达到限定高度时会触发传感器，煤堆与装置探头形成回路，此时传感器内部报警线路工作，皮带也相应停止。传感器工作原理具体如图4所示。

图4 堆煤传感器监测原理

4 地面监控系统

前述机电装置构建了皮带运输机监测预警系统的硬件基础，监测所得数据需实时、准确地反馈到地面监控中心进行处理，进而进行后续的决策与工作部署。因此地面监控系统的质量直接关系到皮带运输机的稳定、维护等一系列程序工作。

在地面皮带区域安置有2台上位主机，避免故障造成的系统瘫痪，提高系统运行的稳定性，上位主机辅助装置有视频分配装置、视频光接收装置以及服务器等，同时为了便于监视，监控中心采用液晶显示器实时显示皮带运输机运输状态。通过上述装置的使用，可以达到对井下皮带运输机状态参数的实时监控与故障预警，同时能够查询历史记录，结合过往数据，为相关决策提供依据。

上述系统于2018年6月5日投入使用，已运行近11个月。基于上述系统，皮带速度问题得到有效解决，较系统应用前发生频率降低了约34%；皮带跑偏得到及时治理，在系统运行期间，严重跑偏未再发生，轻微跑偏发生频率降低了约27%；皮带纵向撕裂未再发生；堆煤误操作情况发生频率降低了约45%。需要说明的是，以上未应用系统时的事故频率采集时间为2017年6月1日至2018年4月30日，应用系统事故频率统计时间为2018年6月5日至2019年4月30日。

5 结论

本文基于常村矿井下带式运输机故障频发、处理措施滞后等问题，针对性地提出了井下皮带运输机监测与预警系统，从系统控制装置选用及方案配置、皮带运输机传感装置的原理及作用、地面监控系统的监控预警等多个方面进行阐述。该系统经过实际验证，在保证皮带运输机正常作业的情况下，降低了故障发生频率，为矿井的安全运输奠定了基础。