矿用皮带机监控系统设计与应用研究

朱鹏

摘要  当前，随着社会经济的可持续发展，科学技术的不断进步，推动着我国群众生活需求的提升，我国矿井生产规模也在持续的扩大，在这一形式下，矿用运输系统得以完善和改进。在矿用传输机中，皮带机的特征在于输送距离较长、运输稳定，继而成为当前矿用传输机中的关键设备。现阶段，国内的皮带机监控系统在运行过程中还是落后于西方发达国家，运行期间故障问题明显、操作难度较大，信息采集出现重复多次运行，因此在较为恶劣环境的矿井下进行工作，很容易影响操作人员的正常工作。由此来看，虽然监控系统是皮带机设备中的较基础的功能，但还是要紧跟社会时代及矿井的需要进行整改优化，做好对矿用皮带机监控系统设计，对煤矿企业的发展起到一定的促进作用。

关键词：皮带机;监控系统;故障定位

1、矿用皮带机结构特点分析

矿用皮带机是煤矿开采中三大开采设备之一，其结构主要包括了滚筒、驱动电机皮带、导向滚筒、拉紧滚筒、拉紧装置、紧绳装置、上托辊、下托辊、电机等组成。其中，滚筒是矿用皮带机中的重要部件，与皮带进行配合，在驱动电机的驱动作用下，能实现将皮带上的煤矿运输至指定地点。根据滚筒的功能特点，可将其分为驱动滚筒、改向滚筒、轻型滚筒、中型滚筒、重型滚筒等类型。矿用皮带机中滚筒结构复杂，包含各类胀套连接和焊接结构，主要分为键连接、胀套连接全焊结构，除此之外还包括铸焊结构。其中带加强环柱焊结构是目前常用的超重型滚筒类型，极大地提高了滚筒的输送效率。滚筒在实际过程中会出现筒壳磨损严重、焊缝开裂、滚筒外壳磨损、辐板变形等失效现象，分析其原因为滚筒在使用过程中受到了来自外部的不均匀冲击载荷作用，导致滚筒的局部区域出现了较大的结构变形现象，严重影响着矿用皮带机的作业效率。为此，有必要采用有限元分析方法对其结构性能进行分析研究。

2、总体设计

皮带机监测监控系统总体设计图如图1所示，系统采用集中分布式结构，通过控制组合配电单元，全面监测皮带机工况。系统主要由主控制器和皮带沿线设备两大部分组成，主控制器通过RS-485总线连接配电控制模块（A～H），通过CAN总线控制语音报警模块、沿线管理模块及IO模块，通过IO模块实现跑偏、温度、带速、综合控制等信号收集。皮带沿线设备包括多功能扩音电话、沿线急停开关、下位机、终端采集设备等，其中1号、2号机尾下机位安装跑偏及撕裂监控器，2号机头下位机集成了温度、带速、烟雾及综合控制监控器，皮带沿线设备采用18V电源线供电，并通过矿用8芯电缆连接主控制机。

3、系统要求

监控系统应用于煤炭井下皮带输送机实时监控与远程控制，首先需要系统组件具有较高的防爆性能，确保系统工作是安全可靠的。其次是系统要有较好的兼容性，监控系统设计需要兼顾皮带输送机原来的控制系统，要求新系统和原系统能够完美融合。还有就是具备实时监控功能，能够远程实时显示皮带输送机的运行状态和性能参数。最后故障保护功能，能够提示故障位置及报警，为运维人员提供故障排查数据。

4、细致化设计方案内容

4.1硬件设计

4.1.1传感器选型

皮带输送机监控系统数据来源于各个传感器，为了保证监控人员能够获得较全面的皮带输送机实时运行数据，系统设计了皮带运行速度传感器、温度传感器、烟雾传感器、跑偏传感器等。其中速度监测选择型号为GSD6矿用本安型速度传感器，温度监测选择型号为PT100的温度传感器，烟雾监测选择型号为GQQ0.1的烟雾开关，跑偏监测选择型号为GEJ40的矿用本质安全型跑偏传感器，纵向撕裂监测选择型号为GVD30的胶带纵向撕裂传感器，同时配置GUJ50型煤位传感器和KGU3B型堆煤开关。

4.1.2摄像仪的选择

皮带输送机监控系统配置了摄像仪，选择了型号为KBA127的矿用隔爆兼本安型摄像仪，使用时能够直接接入缆联机，应用方便快捷。摄像仪中的自动光圈镜头，具有较高的倍数，能够录制较远距离的目标物。视窗材料为玻璃，经过纳米技术处理，具有很好的透光率，同时不会吸附应用环境中的水雾、油污、尘土等微颗粒物质，能够很好地适应煤矿井下工作环境。工作过程中具有彩色、黑白自动转换，亮度自动调整等功能，确保了拍摄画面的清晰性，以供皮带输送机监控人员更全面地掌握其运行状态及环境情况。

4.1.3保护系统

服役中的皮带输送机自带的保护系统的抗背景噪声能力很好，能够满足煤炭井下恶劣的工作环境要求，如爆炸气体、煤尘、烟雾等。为了提高皮带输送机监控系统的可靠性，完善了皮带输送机原有的保护系统，增设了集中监控、张力调整、超温喷水、制动、双机拖动、开机预警等功能。与此同时，为了提高皮带输送机的故障排查效率，监控系统能够及时显示故障位置及种类，发出报警语音，提醒监控人员及时停机进行故障处理，通过语音对讲可以实现监控室与现场操作工人之间的直接对话，以便做好运维人员的准确调度。

4.2软件设计

皮带机监测监控系统流程如下页图2所示，主要分为系统启动、初始化、分配地址、查询设备的工作状态、故障处理等版块。监控系统有三种工作模式，在集中控制模式下，皮带机和给煤过程由中心控制，同时需输入各种保护装置。在本地控制模式下，机器由手动按钮控制，操作人员可通过PLC按下;在维护条件下，皮带和给煤机也通过手动按钮进行控制，操作人员也可在触摸屏中选择保护装置是否需要介入。系统工作模式由控制台上的三个位置选择器开关选择，每次只能选择一种工作模式;当皮带和给煤机运行时，工作模式不能改变，触摸屏中的指示灯可显示当前的工作模式，监控系统用于单带和给煤机的监控;在集中控制模式下，按下啟停按钮时，允许皮带启动或停止。如果有多个皮带，启动信号可以由上一条皮带给出，其方向不同于煤流，停止信号可以由与煤流方向相同的皮带发出，设定时间可根据皮带机的速度来确定。

4.3人机交互界面

4.3.1主控制界面

图3是监控系统的主控制界面，它显示了输送机运行时的大多数实时工作状态信息，主要包括运行模式及状态、急停状态及位置显示、沿线所接设备信息、每部皮带机工况状态、沿线设备数量指示灯、终端电压，以及地址排序、集控启停、故障复位三个按钮。

4.3.2故障诊断界面

编写故障诊断程序，并将关键组件（如电动机、减速器和滚筒）的故障诊断功能添加到皮带机监控系统中。故障诊断人机界面旨在实现在皮带机运行时实时显示输送机关键部件的健康和工作状态信息，并实现皮带机一体化。皮带机的监控和故障诊断功能界面显示。

5、矿用皮带输送机的可持续发展

5.1降低能耗

为了践行节能减排、绿色发展的道路，带式输送系统减少能耗是今后发展的必然趋势。现在矿用皮带输送机降低能耗的研究主要集中在降低滚动摩擦阻力。其中一种方向是针对传统矿用皮带输送机的托辊滚动摩擦阻力，这部分阻力占整机阻力的20%左右，研发低阻力托辊降低现有系统的能耗。另一种是改变传统矿用皮带输送机结构，类似于绳索输送机，使用轨道来实现输送带运输从而降低整机阻力。

5.2減少污染

矿用皮带输送机在环境污染方面主要分为粉尘污染和噪声污染。第一，粉尘污染是散料运输不可避免的问题，粉尘过多会污染空气，危害工人健康并造成严重的环境污染，在条件满足的情况下甚至会引起粉尘爆炸。在开采设计和决策阶段选择合适矿用皮带输送机类型、减少转运次数并通过喷水减少粉尘。第二，噪声污染类似于粉尘污染，物料在转运的过程中会产生极大的噪声，在正常运输过程中托辊和滚筒所产生的噪声也无法完全避免。目前一些针对滚筒和托辊制造的特殊结构设计以及不同材料的应用研究表明，可降低12dB的噪声，降低幅度约为1/7。

5.3自动化与智能化

根据国家发改委提出的“2035年各类煤矿基本实现智能化”的目标和煤矿、隧道安全生产的实际需求，自动化与智能化是关键因素，未来将有更多的设备可以实现由计算机辅助、单人操作且控制更加精准，同时智能化系统可以监控整机状态为设备维护提供辅助判断，减少维护频率，为长时间可靠运行提供保障。未来自动化及智能化必然会随着生产效率和安全生产能力提高而持续不断地发展。

结语

综上所述，本文主要根据当前皮带机常出现的故障问题及监控系统的问题为依据，再融合实际调查工作结果，设计了一种性能较高、运行安全性良好的自动化皮带监控故障诊断系统。不过在设计研究的过程中还是存在着一定的不足之处，在未来工作总共，更应该调研更多的研究内容，为设计工作奠定一定的基础条件。

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