煤礦刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

魏圣彥

（山西焦煤霍州煤電呂臨能化公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

刮板輸送機(jī)是煤礦開采工作面中的重要機(jī)電裝備，作用是將采煤機(jī)開采獲得的煤礦物料輸送到破碎機(jī)或帶式輸送機(jī)中。工作面的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，且刮板輸送機(jī)需要連續(xù)運(yùn)行，刮板鏈特別容易出現(xiàn)故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷鏈的情況[1-2]。一旦刮板輸送機(jī)出現(xiàn)斷鏈問題，輕者對(duì)煤礦連續(xù)生產(chǎn)造成影響，重則引發(fā)設(shè)備、人員安全事故，造成嚴(yán)重后果[3]。本文結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研究了斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將其部署到工程實(shí)踐中。

1 刮板輸送機(jī)概述

刮板輸送機(jī)是煤礦開采工作面中非常關(guān)鍵和重要的運(yùn)輸裝備，如圖1 所示為典型刮板輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意圖。刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭和機(jī)尾鏈輪、刮板鏈以及上下溜槽等機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成。工作時(shí)由電機(jī)輸出的動(dòng)力，經(jīng)減速器后輸入到驅(qū)動(dòng)鏈輪中，驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈間通過嚙合的方式進(jìn)行動(dòng)力傳輸，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整個(gè)刮板鏈作循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煤礦物料的運(yùn)輸[4]。本文主要以煤礦中經(jīng)常使用的SGZ1000/2100 型刮板輸送機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究。該設(shè)備同時(shí)由三臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)的功率為700 W，刮板鏈的最大運(yùn)行速度為1.41 m/s，可達(dá)到的最大運(yùn)輸能力為2700 t/h。刮板輸送機(jī)鏈條系統(tǒng)特別容易出現(xiàn)故障，鏈條系統(tǒng)故障率占整個(gè)刮板輸送機(jī)故障率的50%以上，所以需要研究斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)刮板輸送機(jī)的鏈條系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，提升設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖1 刮板輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 斷鏈檢測(cè)方法及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案

2.1 斷鏈檢測(cè)方法

（1）基于刮板偏移的監(jiān)測(cè)方法。當(dāng)刮板輸送機(jī)出現(xiàn)斷鏈故障時(shí)，刮板偏離原來的與運(yùn)行方向垂直的關(guān)系，而是與前進(jìn)方向呈現(xiàn)一定的角度，如圖2 所示為刮板鏈斷鏈狀態(tài)示意圖。可以在輸送機(jī)同一位置的兩側(cè)安裝一組傳感器，一旦刮板鏈兩側(cè)通過該位置的時(shí)間差達(dá)到一定程度，意味著刮板發(fā)生了偏移，刮板鏈出現(xiàn)了斷鏈問題。

圖2 刮板鏈斷鏈狀態(tài)示意圖

（2）基于機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)電流差的監(jiān)測(cè)方法。正常情況下，在控制系統(tǒng)的作用下，刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾部位的電機(jī)電流能夠保持平衡狀態(tài)，兩者之間的差值不會(huì)很大。當(dāng)出現(xiàn)斷鏈故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，此時(shí)機(jī)頭和機(jī)尾部位的電機(jī)電流會(huì)出現(xiàn)明顯的差異?；趥鞲衅鲗?duì)電機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)即可判斷刮板鏈?zhǔn)欠翊嬖跀噫渾栴}。

（3）斷鏈定位方法。在刮板輸送機(jī)中設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)刮板，同時(shí)在一個(gè)固定位置設(shè)置定位傳感器。定位傳感器可以記錄基準(zhǔn)刮板通過該位置時(shí)的時(shí)間t1，再記錄出現(xiàn)斷鏈的刮板通過該位置時(shí)的時(shí)間t2。兩個(gè)時(shí)間的差值，再結(jié)合刮板鏈的運(yùn)行速度，可判斷出現(xiàn)斷鏈的具體位置。

2.2 整體方案設(shè)計(jì)

如圖3 所示為刮板輸送機(jī)的斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案示意圖。由圖可知，共設(shè)置了五組傳感器組對(duì)刮板輸送機(jī)的斷鏈情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中機(jī)頭三組、機(jī)尾兩組，每組有兩個(gè)傳感器，共使用了十個(gè)傳感器。利用變頻器可以對(duì)三部電機(jī)的運(yùn)行電流值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在機(jī)頭鏈輪上蓋板部位安裝兩個(gè)斷鏈點(diǎn)定位傳感器。所有監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行分析與處理，控制器與觸摸屏進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。集控室設(shè)置在礦井的地面，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與控制器之間的連接。控制器采集并分析的數(shù)據(jù)傳入到工控機(jī)中，并在監(jiān)測(cè)大屏上實(shí)時(shí)顯示刮板輸送機(jī)鏈條系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

3 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 主要硬件選型設(shè)計(jì)

（1）控制器。對(duì)于斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，控制器是非常重要的硬件設(shè)施，其性能好壞會(huì)對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。結(jié)合實(shí)際情況，系統(tǒng)中選用的是西門子公司研制生產(chǎn)的S7-1200 型PLC 控制器?？刂破骰赗S-485 模塊實(shí)現(xiàn)與各傳感器之間的連接，基于工業(yè)以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的連接[5]。

（2）傳感器。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中需要使用兩種類型的傳感器，分別是接近開關(guān)傳感器和定位傳感器，作用分別是對(duì)刮板的偏移狀態(tài)和斷鏈位置進(jìn)行檢測(cè)。前者選用的型號(hào)XS1 N30PA349，后者選用的型號(hào)為TB-M18-H1147。考慮到礦井復(fù)雜的工作環(huán)境，選用的各項(xiàng)硬件設(shè)施均屬于本質(zhì)安全型設(shè)備，具有良好的防爆功能。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件程序采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)一個(gè)主程序和多個(gè)子程序，主程序運(yùn)行時(shí)只需要對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)取運(yùn)行即可[6]。涉及的子程序包括初始化子程序、速度和電流讀取子程序、刮板偏移控制算法子程序、斷鏈點(diǎn)定位算法子程序等。如圖4 所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序工作流程圖。由圖可知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上電運(yùn)行后，首先需要對(duì)各項(xiàng)硬件設(shè)施進(jìn)行初始化處理，然后對(duì)刮板鏈的速度進(jìn)行讀取。在確保速度滿足要求后，開始對(duì)電機(jī)電流以及刮板的偏移情況進(jìn)行檢測(cè)。如果存在異常情況，還需要對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，同時(shí)將相關(guān)結(jié)果在屏幕上進(jìn)行顯示。當(dāng)報(bào)警次數(shù)達(dá)到一定程度后，需要對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理，以保障設(shè)備的運(yùn)行安全。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序工作流程圖

4 斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為了對(duì)設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢驗(yàn)，將系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中，并對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行連續(xù)三個(gè)月時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，整個(gè)測(cè)驗(yàn)期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，可以對(duì)刮板輸送機(jī)的鏈條系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)故障或安全隱患時(shí)，系統(tǒng)可以向外發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，系統(tǒng)的應(yīng)用可以減少刮板輸送機(jī)運(yùn)行維護(hù)人員2～3 名，出現(xiàn)故障時(shí)的故障排除時(shí)間與前期相比縮短了15%左右，顯著提升了設(shè)備運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和可靠性，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

5 結(jié)論

以SGZ1000/2100 型刮板輸送機(jī)為對(duì)象，對(duì)斷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中。系統(tǒng)主要基于刮板偏移方法和機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)電流差值法來監(jiān)測(cè)刮板鏈的故障問題，并利用定位傳感器確定斷鏈具體位置。礦井地面設(shè)置有集控中心，可以通過監(jiān)測(cè)大屏實(shí)時(shí)顯示刮板輸送機(jī)鏈條系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)故障問題時(shí)會(huì)及時(shí)向外發(fā)出警報(bào)。軟件程序方面，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，既方便程序編寫也方便后續(xù)程序維護(hù)。