摘要：皮带运输是一种重要的材料输送方法，它的轴中心距离大，传输平稳，设备价格低廉，便于维修。因此，它在煤矿开采，冶金生产，水电开发以及在化学和其他工业领域有着广泛的应用。煤炭工业是国民经济的重要支柱，是国民经济的一个重要组成部分。近年来，随着国民经济的高速发展，煤炭行业的发展受到了很大的推动，矿井交通的质量和数量都有了很大的提高。同时，由于科学技术的进步，煤矿的机械化程度也越来越高。目前，皮带运输作为一种新型的输送装置，已成为煤矿生产中普遍采用的一种新型的输送装置。它使输送系统的经济性、安全性、稳定性得到了进一步的改善，使煤炭的运输速度得到了明显的提升，从而使煤矿的效益得到了改善。

关键词：矿井；皮带运输；状态检测；事故预警

由于矿井使用年限的增加和采区的进一步开发，矿井主皮带运输和采区的皮带机都要进行延伸或接续，而煤炭的输送大多是通过采区皮带机直接输送到主皮带运输，从而造成线路长、岗位多、联络环节多，必然造成人员增加、分散，不利于安全生产和科学管理。鉴于以上原因，结合煤矿的实际应用需求，开发了矿井皮带运输状况监控和事故预警系统，实现了安全、稳定、高效的目标；该系统与调度电话系统、预警广播网络、工业电视系统组成了一个完整的运行、调度和监控网络，并能对全系统进行遥测、遥信、遥控和预警。在提高生产效率、降低事故率方面，无论在理论上还是在实践中都是十分有意义的。

1煤矿皮带传送系统基本工作原理

1.1常用控制方案比较与选定

目前煤矿皮带运输的技术中，各种控制方式都有其优点和缺点。

微处理器是一种具有低电压、低功耗、高控制性能的综合性系统，但是它必须针对不同的应用环境，特别适合于外界干扰较少、温度和湿度较高的场合。

继电器是继电控制系统的核心部件，它具有接线原理简单、易于理解、总体造价低廉等优点；但由于其灵活性差、工作效率低、故障诊断、处理难度大，特别适合于安装线路容量小、控制系统单一的情况。

PLC是一种可编程控制器，它只需要根据实际情况来决定应用要求，并根据需要进行相应的部署，降低了系统的费用，提高了部署的便捷性和效率；但是，为了达到控制要求和充分发挥其强大的功能，需要对所采集到的特征信号进行处理。

如今，随着微处系控制技术和电子技术的不断发展，PLC逐步具备了过程控制、运动控制、数据交互处理等新功能，其运行可靠、功能强大、性价比突出等优势，是最受欢迎、应用最为广泛的控制技术，当然也能够充分满足煤矿皮带运输设备的控制需求。

通过对各种控制方案的优劣比较，提出了一种更为科学、合理的PLC控制系统，并结合目前常用的PLC产品，讨论了矿井皮带运输系统的异常状态特征值的识别和探测。

1.2煤矿皮带传送系统基本工作原理

皮带运输状态检测与事故预警系统是一种以传感器监控为核心的技术。该系统的研究内容是基于传感线路，根据皮带运输的一系列状态，如皮带速度异常、打滑、断裂等；通过合理的控制算法，进行合理的分析和正确的决策，使其能够有效地监测皮带运输的安全运行，提高整个煤矿的运输量。

2各异常状态特征量的识别与检测

煤矿皮带运输的不正常情况包括：断裂，划伤，水平皮裂；在皮带运输发生故障时，必须对监控和收集的数据进行分析和处理，并向工作平面发出控制策略，以实现特定的控制。有关的研究和生产实践表明，这种异常现象可以归结为两种原因：一是皮带的速度不正常，二是电动机的扭矩不正常。

2.1皮带速度的识别与检测

通常通过转速传感器来实现皮带转速的测量。如果采用磁阻速度传感器动态采集并计算皮带的转速，则皮带断带、联轴器断开时，皮带的速度会突然下降至0米/秒；皮带在打滑、过载时，皮带转速会逐渐下降，随后逐渐升高到正常转速；但是，它的下降速度也会变得很慢。

GSC6-SC型速度传感器是煤矿生产中最广泛使用的本质安全型电器，它具有良好的密封性能，可以作为一种高效的带输送机皮带运输的运动状况监测仪器，适用于煤矿井下，有煤尘及爆炸性气体的环境中，用作皮带运输机检测低速打滑、超速等保护。

速度传感器探头与主机配套使用，安装于皮带机从动轮上，正常工作时，该传感器“速度端”输出高电平，当皮带打滑时，转速低于正常值50%，3s内输出为低电平，皮带停机。电路板内也设有继电器触点输出，当保护动作时触点由开变成闭合。

该系统具有良好的测速范围和良好的低速特性，可以及时、准确地识别出皮带的工作状态，并能有效地防止各种干扰对测试结果的负面影响，从而为识别和解决危险提供了可靠的基础。

2.2电机转矩的识别与检测

对传动轴来说，扭矩是它最基本的负载。在传感器的测量中，力矩一般是根据轴的应变和扭矩来计算的。如果使用数字扭矩传感器来实时获取和计算电动机的扭矩，则当皮带断裂时，电动机的输出扭矩会随时间而逐渐降低；随后急剧下降，直到0Nm；当耦合断开后，电动机的输出扭矩会随时间而逐渐减小，当皮带滑行时，电动机的输出扭矩在初始阶段快速下降，随后逐渐下降；当皮带超载时，电动机的输出扭矩会随时间而增加。

CQG电动机力矩传感器的研制是以数字扭矩传感器为基础的。扭矩传感器主要由扭力轴、磁检测器，转筒及壳体等四部分组成。磁检测器包括配对的两组内、外齿轮，永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装在扭力轴测量段的两端，内齿轮装在转筒内，和外齿轮相对，永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内，感应线圈安装在壳体的两端盖内。在驱动电机带动下，内齿轮随同转筒旋转。内、外齿轮构成环状闭合磁路。

内、外齿轮是变位齿轮，并不啮合，齿顶留有工作气隙，内、外齿轮的齿顶相对时气隙最窄，齿顶和齿槽相对时，气隙最宽。内、外齿轮在相对旋转运动时，齿顶与齿槽交替相对，相对转动一个齿位时，工作气隙发生一个周期的变化。磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化，因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号，讯号电压瞬时值的变化和内外齿轮的相对位置的变化一致的。将传感器的电压讯号经过仪表进行放大、整形、检相、变换成计数脉冲，然后计数和显示，便可直接读出扭矩和转速的测量结果。

它是一种基于磁电法和相位差法的传感器，也是一种无接触力矩传感器，测量速度快、稳定、可靠、精度高，同时可与计算机通讯，具有自动测试、自动生成测量参数表、特性曲线图、生成报表、打印存储报表功能。

2.3皮带跑偏的识别与检测

皮带运输运行时，皮带的跑偏会加剧皮带损耗、撒料、软化、剥落等问题。造成皮带跑偏的原因有：滚筒、托辊出现粘着、皮带结构松散、物料分配不均、运转振动等。在工作中，通常采用跑偏开关来探测和识别胶带的跑偏，以保证输送机的平稳运转。特别是，偏移开关的核心部件是位置传感器，它会生成并输出一个断路量信号，从而实现自动报警、报警；在此基础上，选择合理、有效的控制策略，以达到对皮带运输输送机的保护作用。跑偏开关一般采用立辊结构，通过计算偏转角度来判断跑偏状况。

KPT跑偏开关是以皮带运输跑偏为主要的检测对象，其装置结构简单，工作可靠；输送机胶带跑偏时，胶带触碰开关立辊，当立辊偏转至Ⅰ级动作角度时，Ⅰ级开关动作，并输出信号报警。如果胶带继续跑偏使开关的立辊达到Ⅱ级动作角度时，Ⅱ级开关发出停机信号。将其接至控制线路中就可实现自动停机。该系统的运行信号非常准确，并且经过了国家防爆安全检测中心（NEPSI）的检测，可以有效地防止皮带的跑偏，所以适用范围很大。

2.4电机温度的识别与检测

由于电动机的发热引起的温差会导致电动机的损失，线圈在通电时会产生铜损，再加上其它的杂散损失，所以温升是检测电动机性能的一个重要指标。当前，利用温度传感器作为一种检测手段，可以实现对电动机的温度的测量。该传感器是一种接触式器件，其输出方式为开关量。若采用热电偶，在进行试验时，应将探测器置于被测部位，若发生温度超标，则该传感器将接点由“关”改为“开”，达到切断电源保护设备安全的目的。

2.5其他异常状态特征的识别与检测

皮带纵撕、皮带着火、煤仓堆煤等均属皮带异常，因此，要确保皮带的安全、高效运转，必须对皮带进行识别和监控。若采用GVG25型撕碎式传感器，可在不同规格的皮带运输上，采用报警停止的方法，可防止皮带运输发生纵向撕裂失效，从而导致更大的事故；利用GQQ5型烟感应器（主要是离子型烟感应器），以及内部的试验开关和红色LED指示灯，对烟信号进行探测，防止火灾进一步恶化；采用GUD-330-D型堆煤传感器，设备安装简单，性能优良，对每台带机进行检查，以达到保护堆煤的目的。

3硬件组成

3.1系统开展工作步骤

首先是对设备进行勘察，再确定探测目标，选择监控方式，建立预测维护系统，确定容许状态界限，收集设备工作特性信号，并将其反馈给中心控制器；在分析和处理后，如果发现有异常的情况，就停止工作并采取相应的警报，如果没有异常的情况，就会对设备的工作特性进行反复的测量。

3.2系统整体架构

煤矿皮带运输安全监测与事故报警系统是一个完整的分布式控制体系。地面机电监测系统是由地面机电监测系统控制的。在监控主站和控制分站之间，采用了现场总线的方式，测控分站采用测距阵列结构，由工业以太网连接监测主站和监控主机。控制分站主要负责对现场的设备进行数据的采集与控制，并能对整个系统进行集中的监控。

3.3系统硬件配置

地面机电监测中心采用研华ARK-3390型嵌入式工业控制计算机，实现了对各个皮带机组工作情况的集中展示。井下段具体构造成KTC101-Z型主控制器靠近各带机组的第一级带头操作台，用作控制分站，以实现对皮带机的控制和显示。KTC101-Z型主控制器旁配有KDW101型矿用隔爆箱和本安电源盒。在每一条皮带的前端都设有扭矩传感器，速度传感器，温度传感器；采用跑偏传感器、烟雾传感器等，对皮带机的工作状况进行监测。

结论

通过对皮带运输运行速度、皮带机的扭矩、温度等参数的分析，建立了皮带运输系统的异常状态监控模型，提高了皮带运输系统的故障诊断和预警能力。皮带运输语音广播系统与煤矿语音广播系统相结合，形成了一套完整的安全报警系统。在矿井发生意外时，还可以将预警信息传递给皮带运输。该系统与调度通讯系统、井下工业电视系统共同组成了一套完整的运行、调度和监控网络，并可对全系统进行遥测、遥信、遥视和远程控制。该系统采用了完全分布式的控制架构，使其安全性能得到了提高。在地表发生控制失效的情况下，井下部分仍然能进行集中控制。降低了配线的费用，因为使用了远程通信网络，使得布线更为便捷，同时也大大降低了电缆的使用量。

参考文献：

[1]王艳辉，翟力欣，张冬.煤矿井皮带运输状态检测与事故预警系统研究[J].价值工程，2022，41（24）：81-84.

[2]卢玉强.矿井皮带运输状态监测与事故预警系统[J].科技与企业，2011（15）：79.

[3]李法柱，矿井皮带运输状态监测与事故预警系统.山东省，淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿，2011-07-30.

[4]范丽娅. 煤矿井皮带运输状态监测与事故预警系统研究[D].河北科技大学，2019.