刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任保明

（南煤集團(tuán)南莊公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架并稱為綜采工作面的“三機(jī)”，其不僅承擔(dān)工作面的運(yùn)輸任務(wù)，而且為采煤機(jī)行走提供軌道，為液壓支架推溜提供支撐和支點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，刮板輸送機(jī)電機(jī)、液力耦合器、減速器及刮板鏈經(jīng)常出現(xiàn)故障，從而影響整機(jī)的運(yùn)輸性能和生產(chǎn)效率。本文針對(duì)刮板輸送機(jī)刮板鏈斷裂故障開展研究，傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)斷鏈保護(hù)裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在故障發(fā)現(xiàn)太晚的問題，容易擴(kuò)大故障范圍[1]。因此，本文將設(shè)計(jì)一款刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和斷鏈故障的預(yù)測(cè)。

1 刮板輸送機(jī)斷鏈故障分析與方案設(shè)計(jì)

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)刮板輸送機(jī)斷鏈故障進(jìn)行分析，并完成斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。

1.1 刮板輸送機(jī)斷鏈故障分析

刮板輸送機(jī)是綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，典型刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 典型刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

統(tǒng)計(jì)表明，刮板輸送機(jī)鏈條故障主要表現(xiàn)在鏈條、接鏈環(huán)、刮板和鏈輪四個(gè)位置?？偟膩碇v，刮板輸送鏈條故障占據(jù)其所有故障的51%，其中，鏈條、接鏈環(huán)、刮板及鏈輪的故障分別占21.1%、4.4%、8.8%和16.7%[2]。經(jīng)驗(yàn)表明，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)鏈條頻繁出現(xiàn)故障的主要原因包括刮板輸送機(jī)刮板鏈本身的疲勞磨損、工作面頂板矸石對(duì)刮板鏈條的沖擊、刮板螺栓出現(xiàn)斷裂、張緊故障導(dǎo)致鏈條斷裂等。

1.2 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為保證斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確對(duì)刮板輸送機(jī)的鏈條運(yùn)行狀態(tài)和故障信息進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，要求斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在通用性、操作性及可靠性等方面滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。具體需滿足如下要求：

1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件選型必須滿足防爆要求，確保其符合《煤炭安全規(guī)程》的安全性要求；

2）斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式下運(yùn)行，其中手動(dòng)模式主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)，一般正常監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)為自動(dòng)運(yùn)行模式；

3）斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)斷鏈故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、報(bào)警和定位；

4）斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，基于數(shù)據(jù)傳輸通信將鏈條的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息上傳至上位機(jī)[3]。

刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兩大功能為：其一對(duì)斷鏈故障進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并監(jiān)測(cè)；其二對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，為后續(xù)系統(tǒng)維護(hù)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。針對(duì)刮板輸送機(jī)斷鏈故障的判斷，可采用刮板偏移距離監(jiān)測(cè)方法（主要監(jiān)測(cè)）和機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)電流監(jiān)測(cè)方法（輔助監(jiān)測(cè)）；采用斷鏈點(diǎn)定位監(jiān)測(cè)方法對(duì)斷鏈故障的發(fā)生位置進(jìn)行確定。

基于上述兩大監(jiān)測(cè)方法和故障定位方法，設(shè)計(jì)如圖2 所示的刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

如圖2 所示，刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由集控室、控制柜和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層組成，其中集控室為上位機(jī)，主要對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條運(yùn)行狀態(tài)和故障位置點(diǎn)進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)；控制柜為對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條運(yùn)行狀態(tài)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的核心，并通過觸摸屏完成相關(guān)控制指令的輸入；設(shè)備層主要包括在刮板輸送機(jī)現(xiàn)場(chǎng)配置的斷鏈點(diǎn)定位傳感器、機(jī)頭傳感器和機(jī)尾傳感器等元器件。

圖2 刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

2 刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本節(jié)主要完成刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件主要包括設(shè)備層的各類傳感器、控制柜中的控制器和觸摸屏，以及集控室中工控機(jī)。

2.1.1 傳感器的選型

基于刮板偏移距離監(jiān)測(cè)方法是判斷鏈條是否斷裂的關(guān)鍵，該項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的核心舉措為：在刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾兩個(gè)位置分別對(duì)稱安裝電感式接近開關(guān)傳感器，以對(duì)刮板的偏移距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。結(jié)合JOYSGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)配置型號(hào)為XS1N30PA349 電感式接近開關(guān)，該型傳感器在刮板輸送機(jī)的安裝情況如圖3 所示。

圖3 電感式接近開關(guān)安裝示意圖

對(duì)斷鏈故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位是斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能之一，為保證定位功能的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用圖爾克標(biāo)準(zhǔn)組建式射頻識(shí)別系統(tǒng)為其定位傳感器，該傳感器包括讀寫頭、載碼體及信號(hào)轉(zhuǎn)接器，各個(gè)部件的選型結(jié)果如表1 所示。

表1 定位傳感器各部件選型結(jié)果

2.1.2 控制器的選型

控制器為對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的核心，目前工業(yè)中常用且性價(jià)比較高的控制器為PLC 控制器，本系統(tǒng)將采用S7-1200 PLC 控制器，與該控制器相配套的其他模塊如表2 所示。

表2 與S7-1200PLC 控制器配套的其他模塊

2.1.3 其他硬件的選型

除了上述傳感器和控制器以外，觸摸屏、工控機(jī)和組態(tài)軟件為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心硬件。其他硬件選型

結(jié)果如表3 所示。

表3 其他硬件選型

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在上述硬件作為支撐的基礎(chǔ)上，需要合理、可靠的軟件流程保證斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)?？偟膩碇v，斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在主程序下包括系統(tǒng)初始化子程序、速度電流讀取子程序、電流控制算法子程序、刮板偏移控制算法子程序、斷鏈點(diǎn)定位控制算法子程序、上位機(jī)參數(shù)子程序和手動(dòng)程序[5]。

結(jié)合刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，其對(duì)應(yīng)的主程序流程如圖4 所示。

圖4 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程圖

3 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行性驗(yàn)證

鑒于綜采工作面環(huán)境惡劣且在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度較大。因此，在實(shí)驗(yàn)室搭建平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。所搭建的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證平臺(tái)如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證平臺(tái)

本文所設(shè)計(jì)的斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)對(duì)刮板鏈的偏移距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判斷其是否發(fā)生斷鏈故障。因此，對(duì)偏移距離的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是保證準(zhǔn)確報(bào)警的關(guān)鍵。故本次試驗(yàn)對(duì)刮板不同偏移距離的誤差進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度

4 結(jié)語(yǔ)

刮板輸送機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸系統(tǒng)，其不僅承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)，還為液壓支架推溜提供支點(diǎn)，為采煤機(jī)行走提供軌道。為解決傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、滯后性能嚴(yán)重導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大的問題，本文基于PLC 控制器完成刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要監(jiān)測(cè)依據(jù)為對(duì)電機(jī)電流和刮板偏移距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上判定是否出現(xiàn)斷鏈故障，并根據(jù)判定結(jié)果對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位。