礦用帶式輸送機(jī)作業(yè)中安全隱患預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張海鵬

（山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司， 山西 陽城 048105）

引言

煤礦作為推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要能源，在當(dāng)前高產(chǎn)能情況下，國家及企業(yè)越來越重視煤礦的開采效率及開采安全性。帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中的重要設(shè)備，具有輸送效率高、運(yùn)輸量大等特點(diǎn)，在煤礦開采作業(yè)中起到了至關(guān)重要的作用[1]。但由于井下環(huán)境的惡劣性、煤灰量較大，加上作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)有較大的外界沖擊載荷對(duì)設(shè)備進(jìn)行沖擊作用，導(dǎo)致輸送機(jī)出現(xiàn)了皮帶撕裂、斷帶、跑偏、打滑、電機(jī)燒壞等故障事故，帶式輸送機(jī)事故一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成重大的安全事故[2]。在當(dāng)前先進(jìn)控制技術(shù)高速發(fā)展的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)作業(yè)過程中安全隱患故障的提前判斷和預(yù)警，已成為提升帶式輸送機(jī)智能化開采的重要方向。為此，在分析當(dāng)前帶式輸送機(jī)異常失效故障的基礎(chǔ)上，開展了一套安全隱患預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)研究，通過對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了此系統(tǒng)的可行性，這對(duì)提升帶式輸送機(jī)的作業(yè)效率及井下作業(yè)安全性起到重要保障作用。

1 帶式輸送機(jī)作業(yè)時(shí)主要失效故障分析

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，每年全國的各大煤礦中帶式輸送機(jī)均出現(xiàn)了不同類型的故障失效現(xiàn)象，也造成了不同程度的人員傷亡或經(jīng)濟(jì)損失[3]。如：石槽村煤礦中，帶式輸送機(jī)則出現(xiàn)了滾筒變形、電機(jī)燒壞、皮帶斷裂、皮帶撕裂、跑偏、人員誤操作等失效現(xiàn)象；王家山煤礦中帶式輸送機(jī)也出現(xiàn)了打滑、跑偏、撕裂、電機(jī)異常等失效現(xiàn)象，其他煤礦也出現(xiàn)了不同程度的失效異常現(xiàn)象[4]。通過統(tǒng)計(jì)分析，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)出現(xiàn)各類故障類型及原因基本相同，如：打滑故障主要是由于皮帶與滾筒之間的初始張力和摩擦力不夠，導(dǎo)致摩擦接觸處出現(xiàn)了煙霧，同時(shí)上部的煤炭運(yùn)輸量較重也導(dǎo)致機(jī)頭出現(xiàn)了過載現(xiàn)象，導(dǎo)致皮帶速度降低和打滑。跑偏現(xiàn)象則是因?yàn)槠чL時(shí)間處于磨損狀態(tài)，出現(xiàn)了帶邊拉斷現(xiàn)象，同時(shí)，皮帶安裝接頭由于長時(shí)間的作業(yè)出現(xiàn)了中線度偏移現(xiàn)象，出現(xiàn)了跑偏故障[5]。電機(jī)燒壞則是電機(jī)長時(shí)間處于超負(fù)荷狀態(tài)作業(yè)，加上井下聚集的大量煤灰進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，電機(jī)自身散熱能力下降，電機(jī)自身電氣元件的損壞等，導(dǎo)致電機(jī)被燒壞[6]。針對(duì)此項(xiàng)故障失效類型，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器檢測(cè)元件及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類故障現(xiàn)象的提前預(yù)警檢測(cè)，以此降低帶式輸送機(jī)的故障失效概率。

2 安全隱患預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在分析帶式輸送機(jī)常見故障類型的基礎(chǔ)上，開展了帶式輸送機(jī)上安全隱患預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。該系統(tǒng)包括了WEB 信息庫層、WEB 服務(wù)器層、WEB瀏覽器層等，其中，瀏覽器層包括了PC 移動(dòng)端、監(jiān)控技端、PC 端、井下工作人員PC 端等，主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備采集數(shù)據(jù)信息及狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控；服務(wù)器層則包括了用戶管理模塊、安全隱患預(yù)警及處理模塊、安全評(píng)價(jià)模塊、歷史預(yù)警信息模塊等，是整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的核心部分，可通過采集數(shù)據(jù)信息，利用專用算法，對(duì)帶式輸送機(jī)的作業(yè)狀態(tài)及故障類型進(jìn)行判斷、安全等級(jí)評(píng)價(jià)、故障類型顯示及故障解決措施輸出等操作，當(dāng)判斷結(jié)果超過相應(yīng)閥值時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)也將發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的程序代碼利用JAVA 進(jìn)行編寫。而系統(tǒng)的終端采集單元?jiǎng)t包括了速度傳感器、煙霧傳感器、堆煤傳感器、跑偏傳感器、溫度傳感器、撕裂傳感器等，其被安裝在帶式輸送機(jī)皮帶的相應(yīng)部位，通過在內(nèi)部設(shè)計(jì)相應(yīng)的閥值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)中打滑故障、跑偏故障、撕裂故障、堆煤故障、電機(jī)故障等方面所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方面采集，以供服務(wù)器對(duì)采集數(shù)據(jù)的判斷分析。整套安全隱患預(yù)警系統(tǒng)的總體方案如圖1 所示。

圖1 安全隱患預(yù)警系統(tǒng)總體方案圖

3 預(yù)警系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面是整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此，在主界面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了功能模塊菜單欄、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)顯示區(qū)、預(yù)警及處理顯示區(qū)、評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)域、隱患發(fā)生率顯示區(qū)等，其中，菜單欄中設(shè)計(jì)了用戶管理與幫助功能、安全隱患預(yù)警及處理功能、安全評(píng)價(jià)及預(yù)警功能、歷史預(yù)警信息功能等，通過點(diǎn)擊此功能模塊，進(jìn)入相應(yīng)的子菜單區(qū)域；同時(shí)，評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)則通過設(shè)計(jì)計(jì)算算法，對(duì)帶式輸送機(jī)每月的安全可靠度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并以柱狀圖和百分比形式進(jìn)行展現(xiàn)。隱患發(fā)生率區(qū)域則通過分類匯總方式，對(duì)帶式輸送機(jī)中各類故障類型的發(fā)生比率進(jìn)行顯示。由此通過各大模塊的相互配合，完成對(duì)帶式輸送機(jī)作業(yè)狀態(tài)及安全隱患的預(yù)警顯示。系統(tǒng)主界面顯示效果圖如圖2 所示。

3.2 預(yù)警及處理模塊的設(shè)計(jì)

預(yù)警及處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心采集及判斷模塊。在此模塊設(shè)計(jì)中，以打滑故障為例，主要在帶式輸送機(jī)上設(shè)計(jì)安裝了速度傳感器、煙霧傳感器、堆煤傳感器等檢測(cè)設(shè)備，這些設(shè)備在對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)后，將檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)置的相應(yīng)閥值進(jìn)行對(duì)比判斷，當(dāng)檢測(cè)值超過閥值時(shí)，此模塊將通過內(nèi)部算法與提前建立的案例庫進(jìn)行對(duì)比，找到對(duì)應(yīng)的故障類型和故障編碼，進(jìn)一步找到相應(yīng)的解決對(duì)策編碼和實(shí)際措施，通過顯示界面將相應(yīng)的故障隱患與對(duì)策進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示。人員根據(jù)報(bào)警提示和界面顯示內(nèi)容，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作控制，并進(jìn)行銷警和數(shù)據(jù)記錄，以為安全評(píng)價(jià)模塊及預(yù)警模塊提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。預(yù)警及處理模塊的流程圖如圖3 所示。

圖2 預(yù)警系統(tǒng)主界面效果圖

圖3 系統(tǒng)預(yù)警及處理流程圖

3.3 歷史預(yù)警信息模塊的設(shè)計(jì)

歷史預(yù)警信息模塊主要負(fù)責(zé)將預(yù)警系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)、故障類型及故障對(duì)策等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，所有信息主要來自與前端的預(yù)警及上機(jī)位的數(shù)據(jù)收集，各類數(shù)據(jù)信息匯總后將根據(jù)不同年月日進(jìn)行分類保存。整個(gè)模塊的保存內(nèi)容包括：故障類型、故障征兆、故障對(duì)策、發(fā)生區(qū)域、銷警時(shí)間、處理結(jié)果等內(nèi)容。歷史預(yù)警信息顯示界面如下頁圖4 所示。整個(gè)模塊采用了MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及分類匯總，人員通過點(diǎn)擊不通過功能按鈕，查詢相關(guān)信息。同時(shí)，若帶式輸送機(jī)上的某故障未進(jìn)行及時(shí)處理，此查詢結(jié)果中將會(huì)出現(xiàn)紅色的未處理字樣，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的提示。

4 預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試

在完成帶式輸送機(jī)安全隱患預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，為驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，將其在DSJ120 型帶式輸送機(jī)中進(jìn)行了兼容應(yīng)用測(cè)試，主要是將該系統(tǒng)與帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中的故障類型數(shù)據(jù)采集效果及速度、安全等級(jí)評(píng)價(jià)及顯示、故障類型輸出及解決措施等方面進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試周期為6 個(gè)月，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果圖如下頁圖5 所示。應(yīng)用結(jié)果表明：該預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行正常，能實(shí)時(shí)通過各類傳感器將相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和比較判斷，系統(tǒng)響應(yīng)快速，通過算法計(jì)算后，能準(zhǔn)確地將故障類型及故障解決措施進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出和顯示，達(dá)到了預(yù)期效果。據(jù)人員分析，該預(yù)警系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅降低了帶式輸送機(jī)的故障發(fā)生率，也提高了井下作業(yè)安全，人員只需采用遠(yuǎn)程方式便可對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。由此，驗(yàn)證了該預(yù)警系統(tǒng)的可靠性及可行性。

圖4 歷史預(yù)警信息顯示界面圖

5 結(jié)論

將當(dāng)前更加先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)中，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)作業(yè)時(shí)的提前預(yù)警，成為當(dāng)前提升帶式輸送機(jī)綜合性能的關(guān)鍵方向。為此，在分析帶式輸送機(jī)關(guān)鍵故障類型及原因的基礎(chǔ)上，開展了輸送機(jī)中安全隱患預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵模塊研究，并將預(yù)警系統(tǒng)在DSJ120 型帶式輸送機(jī)中進(jìn)行了集成應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)作業(yè)時(shí)故障類型、安全等級(jí)評(píng)價(jià)及故障的聲光報(bào)警提示，大大降低了帶式輸送機(jī)的故障發(fā)生率及人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了井下作業(yè)安全，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果圖