基于PLC的带式输送机跑偏撕裂工况监测系统设计

摘 要：【目的】针对带式输送机综合工况中的跑偏、撕裂、急停闭锁等问题，设计一套基于PLC的实时监测系统，对输送机皮带的状态进行实时感知，当发生异常情况时自动预警，为输送机的相关线上人员提供操作和处理依据，提高带式输送机的开机率。【方法】首先，分析带式输送机跑偏、撕裂、急停闭锁等常见故障的形成机理及特点，明确相应的工况监测参数需求；其次，根据矿井生产过程中的实际工作环境以及工况监测和故障紧急保护的需求程度，选择合适的监测传感器；最后，结合PLC控制，形成可实施的系统方案。【结果】通过方案对比评估，最终设计出基于PLC的带式输送机跑偏、撕裂、急停闭锁工况监测系统。【结论】确定了监测传感器选型原则，形成了带式输送机具体的监测和控制设计方法，为提升煤矿带式输送机的运行可靠性提供了可工程化实施的指导方案。

关键词：矿用带式输送机；跑偏；撕裂；工况监测；PLC系统

中图分类号：TD634" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0025-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.005

Design of Belt Conveyor Deviation and Tearing Condition Monitoring System Based on PLC Monitoring System

WEI Hongliang

（Shanxi Lu 'an Environmental Energy Development Co.， Ltd.， Changzhi" 046204， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to design a real-time monitoring system for the most serious issues affecting safety production in the comprehensive working conditions of belt conveyors， such as deviation， tearing， and emergency stop locking. This system can perceive the survival status of conveyor belts in real time and automatically warn of abnormalities， and it provides a basis for operation and handling for relevant personnel on the conveyor belt， and improves the start-up rate of belt conveyors.[Methods] Firstly， the formation mechanism and characteristics of common faults such as belt conveyor deviation， tearing， and emergency stop locking were analyzed， and the corresponding monitoring parameter requirements for working conditions were clarified. Then， based on the actual harsh level of working environment in the mine production process， as well as the degree of demand for working condition monitoring and fault emergency protection， suitable monitoring sensors were selected.Finally， combining with PLC control， an implementable system scheme is formed.[Findings] Through comparative evaluation of schemes， a PLC based monitoring system for belt conveyor deviation， tearing， and emergency stop locking conditions was ultimately constructed.[Conclusions] This article establishes the principle of selecting monitoring sensors and forms a specific monitoring and control design method for belt conveyors， providing engineering guidance for improving the operational reliability of coal mine belt conveyors.

Keywords： mining belt conveyor; deviation; tearing; working condition monitoring;PLC system

0 引言

随着矿用能源开采行业的发展，开采效率已成为煤矿开采的重要指标。与其他传输设备相比，带式输送机具有高效性、高适应性、高稳定性等特点，是矿物能源开采的主要传输设备。矿物开采工作的环境恶劣，矿物粉尘会影响带式输送机输送带的转动运行，造成输送带运转卡滞、打滑甚至断带［1-3］。

为保证开采效率，带式输送机需要长期处于负荷传输状态。于是，对带式输送机运行性能的实时检测和反馈保养已成为提升能源采集效率的重要手段。为保证采矿安全、缩短检修时间、降低事故危害，本研究设计了带式输送机跑偏撕裂工况监测系统。

1 带式输送机结构及原理分析

带式输送机具有运输能力大、适应地形广、维护简单等优点，在煤矿行业应用十分广泛，其部件主要包括以下几个部分［4］。

①驱动装置：利用发动机提供扭矩到传送带上，控制传送速度。

②张紧装置：通过弹簧、螺旋杆等结构为输送带输出张紧力，保证整体输送带拥有足够的摩擦力。

③滚筒：用于增加输送带摩擦力和调整输送带的传输方向。一般分为传动滚筒和改向滚筒。其中，传动滚筒与驱动装置连接；改向滚筒则通过压紧输送带，改变与传动滚筒之间的包角，进而改变方向。

④输送带与托辊：一般分为钢丝绳输送带和橡胶输送带。由托辊对输送带进行支撑，保证输送过程中输送带与机架的垂直度。

⑤机架：是带式输送机的主要固定结构，对滚筒和张紧等装置起支撑作用。

带式输送机的工作原理为先利用驱动装置带传动滚筒将力矩传送至输送带上，再通过托辊和改向滚筒支撑输送带至终点。其基本外形结构如图1所示。

2 监测系统研究现状

随着采煤技术的快速发展，矿物输送距离和运

输效率逐渐提升，国内现有带式输送机的监测系统已不能满足生产需要。近5年，发达国家采用了基

于虚拟技术的设备远程诊断。此技术采用先进的PLC系统来开发功能齐全的监测系统，目前已具备对输送机进行实时监测及数据记录的能力［5-8］。

对此，国内多个高校进行了相关技术研发，其中，中国矿业大学研发了矿井输送机远程监测PLC控制系统；在检测刮板输送机打滑故障方面，河南理工大学研发了速度传感器监测系统；在监测输送带撕裂方面，西安理工大学设计研发了PLC红外光电感应技术。尽管在刮板输送机监测方面形成了一定的成果，但只能针对单一工况的监测，且未能与实际控制联合考虑，尚未形成较为实际的应用［9］。

为加快对带式输送机监控系统的研究，满足生产实际要求。本研究拟结合山西省现代化矿井生产改造项目“带式输送机跑偏、撕裂、急停闭锁工况监测研究”，开发一套针对不同工况下输送机的监测系统。

3 输送机工况监测方案设计

新型带式输送机的跑偏、撕裂、急停闭锁工况监测系统设计，应先根据不同工况明确不同的监控方案，并分析互相的优缺点。

3.1 常用的监控方案

目前，常用的监控方案有3种［10］：单片机控制、继电器控制及工业控制计算机控制。

3.2 不同监控方案分析

3.2.1 PLC与单片机优缺点分析。PLC编程的差错率较低，基本是采用简单易懂的“梯形图”语言。在熟悉编程指令后，编程人员只需掌握输入与输出的接口信息即可编程，相对简单；单片机对编程人员的专业素质要求高，采用的是C语言或其他汇编语言，编制过程容易产生错误。在可靠性方面，PLC的控制器件是专门模拟工业环境而设计的，采用了多重措施来提高其抗干扰能力，且输出接口有一定的驱动负载能力，能够适应大部分工业控制。

3.2.2 PLC与继电器优缺点分析。PLC控制是通过程序作用半导体电路实现的，其响应迅速、逻辑功能强、可靠性高、无抖动，明显优于只具备机械动作的继电器。在逻辑功能实现方面，依靠程序实现逻辑功能是PLC的优点。并且，在控制时仅连接输入与输出端即可，既减小了安装、调试的工作量，又使逻辑功能更具可靠性。

3.2.3 PLC与工业控制计算机优缺点分析。PLC容易掌握、开发简单、运行稳定，且周边配套硬件相对成熟、价格略低、易于维护；PC机则具有运算速度快，扩展性好等优点，能适合绝大部分的控制场合，但其开发成本高，运行受环境影响大。

综上分析，本研究设计的新型带式输送机监测系统采用PLC控制，以满足跑偏保护、撕裂保护、急停闭锁的功能。

3.3 基于PLC的监测系统设计

本研究设计的监测系统下位机 PLC 负责采集数据和发送控制指令。上位机采用 LabVIEW 编写，其具有实时显示带式输送机运行状态、记录及数据查询的功能。上、下位机采用 OPC 实现实时通信，这种通信方式可以使监控总站能够远离工作面。在故障发生时，监测系统能自动预警并采取保护措施，使工作人员能够实时掌握带式输送机的运行工况，及时发现并排除故障，为实现带式输送机自动化提供基础。本研究以2台带式输送机L1和L2作为研究对象，对输送机运行的工况综合监测系统进行分析，煤流方向为L1→L2，带式输送机监测系统如图2所示。

利用PLC取代原有的继电器控制，以达到省时、省工、省料及缩短设计周期的目标。本研究的主要目的是监测带式输送机的跑偏、撕裂、急停闭锁等故障。

4 输送带异常情况监控设计

4.1 输送带跑偏

4.1.1 跑偏分析。根据煤矿现场反馈，输送带跑偏的原因有3大类：①张紧装置两侧张力不相等，汇总为维护工作不良的影响。②带式输送机泄煤口的位置偏差造成胶带偏载使之跑偏，汇总为辅助机械的影响。③皮带机滚筒和托辊等关键件部件的制造误差和装配偏差，汇总为设备自身的影响。

4.1.2 纠正措施。带式输送机跑偏的基本规律根据现场使用经验有跑后不跑前、跑紧不跑松、跑高不跑低。常用处理措施为：加强带式输送机各部件的加工和制造精度检测，确保加工检测方法科学有效；依据跑偏规律对机械装置关键部件进行优化；合理调整张紧机构。

4.1.3 跑偏监测。带式输送机的跑偏监测选用GEJ35矿用本质安全型跑偏开关，其工作原理为：输送带的状态根据角度变化去监测反馈，当输送带跑偏时将碰到传感器，使传感器产生旋转，在达到极限角度后，PLC将输出报警信号，在故障消除后，弹簧的作用力能使传感器恢复到正常位置。

4.2 输送带撕裂

4.2.1 撕裂。输送带撕裂是一种很严重的设备故障，直接影响正常的生产，分为横向撕裂和纵向撕裂。带式输送机以纵向撕裂为主，现场反馈的主要原因为：抽芯撕裂、跑偏撕裂、异物划伤、物料挤卡堵塞撕裂等。

4.2.2 撕裂监测。本研究选用GVY1.5矿用撕裂传感器对撕裂故障进行监测。监测原理为：运输物穿透输送带的撕裂缝隙，并不断沉积在传感器上，撕裂传感器受到压力后动作，随之将故障信号传递至监控识别系统。

4.3 急停闭锁

本研究选用的KHJ 0.05/16 矿用本质安全型急停闭锁开关是一种系统发生异常事故的急停开关。在故障排除掉后，还需要人工手动复位，以确保生产安全。其工作原理是：正常工作时信号指示灯闪烁，控制回路内闭锁接点处于常开状态；当带式输送机出现故障急需紧急停车时，闭锁开关动作信号指示灯变红灯。

闭锁开关具有以下特点：①跑偏、纵撕等保护装置可就近接入闭锁开关，节省电缆长度。②工作在宽电压区间，功耗低。③设备地址自动分配，快捷方便。④外壳防护级别高，可使用在较恶劣的环境。⑤端口使用接插模式连接，现场安装维护方便。

5 传感器选择

传感器是将具有一定规律的数学函数变换成可输出信号的装置，通常由敏感或转换元件组成。传感器的选型需要兼顾几个因素，包括线性范围、测量对象、灵敏度、动态响应特性、稳定性等。

5.1 传感器的安装

监控系统选择了多种不同功能的传感器，根据传感器测试机理及使用环境，安装在相应的位置上。传感器的总布置如图3所示。

5.2 控制电路设计

为达到现场和总调中心都能独立启动带式输送机，本研究设计增加一套PLC 驱动的继电器，使输送机兼顾手动和自动的控制方式。手动启动时，按下开关ST1，KM1通电自锁并保持，带式输送机L1通电启动；自动启动时，PLC 驱动继电器JD1-1，KM1 通电自锁并保持，带式输送机L1 通电启动。带式输送机L2的启动方式与 L1类似。

JD1-2 和JD2-2 是急停继电器，响应按钮按下，急停继电器断开，实现电源断路，带式输送机停止工作，其控制原理如图4所示。

参考文献：

［1］ 李川.矿用带式输送机堆煤保护装置优化改进［J］.机械管理开发，2022，37（10）：190-191.

［2］ 张丽峰，张健.大坡度长距离斜巷带式输送机断带保护装置研究与应用标准［J］.中国石油和化工标准与质量，2022，42（15）：101-103.

［3］ 李昕帆.带式输送机断带保护装置的应用［J］.能源与节能，2022（4）：164-166.

［4］ 甄超.带领全班练就过硬的技术［J］.现代班组，2022（4）：14.

［5］ 霍志强.煤矿井下带式输送机撕带保护分析［J］.矿业装备，2022（1）：260-261.

［6］ 李显锋.皮带机保护装置报警信号智能采集［J］.冶金自动化，2021，45（S1）：299-303.

［7］ 宋建楠.带式输送机纵向撕带保护装置应用分析［J］.机电工程技术，2021，50（5）：211-212，231.

［8］ 刘恩民，程洪飞，王世金，等.可伸缩式落煤筒的设计研制及在露天煤场的应用［J］.煤炭技术，2020，39（9）：193-194.

［9］ 孟祥龙.带式输送机跑偏纵撕保护装置的应用［J］.煤矿机械，2020，41（8）：128-130.

［10］ 王超.液压驱动带式输送机断带保护装置应用研究［J］.山东煤炭科技，2019（8）：162-163，166.

收稿日期：2023-06-24

作者简介：魏红亮（1983—），男，硕士，高级工程师，研究方向：煤矿设备机电技术。