重型刮板輸送機(jī)斷鏈自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 亮

（山西潞安集團(tuán)蒲縣常興煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041207）

1 重型刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

刮板輸送機(jī)主要由驅(qū)動電機(jī)、機(jī)頭架、中部槽、刮板鏈、鏈輪等組成，其中，中部槽是主要的承載部件，其上的落煤可隨鏈輪上各節(jié)刮板不斷向機(jī)頭方向運移；電機(jī)部分包括變頻電機(jī)、液力耦合器、減速器等部件，可根據(jù)當(dāng)前負(fù)載和生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，帶動鏈輪與刮板鏈旋轉(zhuǎn)嚙合運動。

另外，刮板鏈作為主要的作用力工具，其形式包括中單鏈、邊雙鏈和中雙鏈三種，對于重載刮板輸送機(jī)，其刮板受力較大，因此適宜采用雙鏈結(jié)構(gòu)；而邊雙鏈結(jié)構(gòu)在中部槽彎曲段時，內(nèi)外兩鏈的受力不均勻，易受拉斷裂，因此一般重型刮板輸送機(jī)常用中雙鏈結(jié)構(gòu)[4-6]。

2 斷鏈監(jiān)測原理及方法

結(jié)合井下特殊作業(yè)環(huán)境和刮板輸送機(jī)工作原理，可同時采用刮板偏移檢測法和電機(jī)電流檢測法對鏈條運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以提高監(jiān)測效率，兩種方法的具體原理如下。

2.1 刮板偏移檢測法

如圖1所示，當(dāng)刮板鏈發(fā)生斷裂時，相關(guān)位置的刮板在落煤阻力作用下發(fā)生偏斜，假設(shè)偏斜距離為Δa，通過檢測Δa的大小，即可對斷鏈發(fā)生狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 刮板偏移法檢測原理

檢測原理：在中部槽水平對稱兩側(cè)，安裝非接觸式檢測傳感器，當(dāng)刮板長度一端離傳感器距離最近時，傳感器可發(fā)出反饋信號；而當(dāng)同一刮板兩端的反饋信號存在時間差Δt時，根據(jù)當(dāng)前刮板鏈的運動速度v，可計算得到Δa=v·Δt；假設(shè)給定最小臨界偏差為Δamin，則當(dāng)Δa≥Δamin時，認(rèn)為發(fā)生斷鏈故障。為防止單組測量組成的偏差，一般在容易發(fā)生斷鏈故障的機(jī)頭和機(jī)尾中部槽兩側(cè)安裝多組傳感器。

2.2 電機(jī)電流檢測法

一般情況下，當(dāng)煤塊卡滯刮板鏈或運煤量發(fā)生較大變化時，位于機(jī)頭和機(jī)尾的驅(qū)動電機(jī)的電流會出現(xiàn)可檢測的較小差值。但當(dāng)刮板鏈斷裂后，刮板將在中部槽拼接縫等位置發(fā)生卡掛或堵鏈等故障，從而造成頭尾兩側(cè)電機(jī)的電流差值急劇增大，因此，當(dāng)檢測到的該電流差值大于預(yù)警差值ΔImin時，認(rèn)為發(fā)生斷鏈?zhǔn)鹿?。一般情況下，重型刮板輸送機(jī)的機(jī)頭安裝2臺電機(jī)，機(jī)尾安裝1臺，假設(shè)頭部2臺電機(jī)的電流分別為I1，I2，尾部電機(jī)電流為I3，則頭尾電流差值當(dāng)ΔI≥ΔImin時，發(fā)生斷鏈故障。

3 斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、控制柜、工控機(jī)、連接線纜等設(shè)備組成，如下頁圖2所示，其中工控機(jī)位于井上監(jiān)控室，主要用于安裝監(jiān)控軟件，并向工作人員發(fā)出斷鏈報警信號，同時，監(jiān)控端還具有遠(yuǎn)程停機(jī)權(quán)限，用于事故的緊急處理。其余設(shè)備均位于井下，因此應(yīng)首先滿足煤礦防爆要求，同時還要求設(shè)備具有良好的防水、防振、抗干擾能力。

用于檢測刮板端部位置的傳感器共設(shè)置5組，每組2個，其中3組安裝在斷鏈故障頻發(fā)的機(jī)頭區(qū)域，另2組安裝在機(jī)尾中部槽兩側(cè)。5組傳感器信號單獨傳送，由PLC控制器按預(yù)設(shè)邏輯規(guī)格，對報警和停機(jī)操作進(jìn)行判斷。另外，從各電機(jī)變頻器獲得的信號，可為系統(tǒng)提供電流值、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)信號，并最終上傳至PLC控制器。

控制柜包含電源、PLC控制器、輸入和輸出設(shè)備等，其中PLC控制器是核心部件，可接受來自傳感器的模擬或數(shù)字信號，經(jīng)邏輯處理后，將設(shè)備運行狀態(tài)信號上傳至工控機(jī)。

圖2 斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

3.2 關(guān)鍵硬件的型號選擇與安裝

3.2.1 傳感器

根據(jù)工作環(huán)境和非接觸式測量要求，用于檢測刮板端部位置的傳感器選用施耐德XS1 N30PA349電感式接近開關(guān)傳感器。該傳感器體積小、安裝方便，檢測距離最大為20 mm。電感式傳感器主要由振蕩器、放大電路和開關(guān)電路三部分組成，振蕩器在通電情況下可持續(xù)產(chǎn)生一個局部范圍的交變磁場，當(dāng)金屬刮板端部向該磁場靠近時，金屬體感應(yīng)產(chǎn)生電流，并呈渦流狀態(tài)，與振蕩器的交變磁場相互作用，并引起磁場強度衰減，甚至停振，當(dāng)刮板端部距離傳感器最近時，影響最明顯，該振蕩信號的衰減可被放大電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，從而觸發(fā)驅(qū)動控制器件。由此，如圖3所示，對稱布置在中部槽兩側(cè)的傳感器，可通過檢測同一刮板兩端部的通過時間，對刮板的水平固定狀態(tài)進(jìn)行檢測，從而間接判斷斷鏈故障的發(fā)生情況。

3.2.2 PLC控制器

由于PLC控制器同樣位于井下工作環(huán)境中，因此從穩(wěn)定性等角度出發(fā)，選擇西門子S7-1200 CPU 1214C AC/DC/PLC可編程控制器作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心控制單元，其存儲器為50 kB，可接受14點輸入信號，具備3個通信模塊，可利用CSM 1277以太網(wǎng)模塊和CM 1241 RS485通訊模塊完成與電感式傳感器、電機(jī)變頻器和上位機(jī)之間的信號傳輸。PLC控制器需安裝在具有防爆功能的電氣控制柜內(nèi)，同時該控制柜還應(yīng)具有良好的隔離、抗干擾功能。

圖3 電感式接近開關(guān)傳感器安裝示意圖

3.3 控制器邏輯規(guī)則

對PLC控制器的編程，應(yīng)遵循易懂、可靠的原則，保證在發(fā)生斷鏈故障時能夠及時識別，并盡可能降低誤判斷的概率

1）控制器自動采集來自各電機(jī)變頻器的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流等信號，電機(jī)轉(zhuǎn)速可轉(zhuǎn)化為刮板鏈運動速度 v，并存儲。同時，利用獲得的 I1、I2、I3電流值，計算頭尾電機(jī)電流差值ΔI，當(dāng)ΔI≥ΔImin時，系統(tǒng)發(fā)出警報。當(dāng)該狀態(tài)持續(xù)時間超過設(shè)定值tmax時，認(rèn)為發(fā)生斷鏈故障，系統(tǒng)自動切斷電機(jī)電源，并發(fā)出故障報警。

2）控制器自動采集來自5組電感式傳感器的開關(guān)信號，并對同一組內(nèi)兩傳感器信號的時間差Δt進(jìn)行計算，然后利用刮板鏈運動速度v，計算刮板偏移差Δa，當(dāng)連續(xù)監(jiān)測到2次以下Δa≥Δamin時，系統(tǒng)發(fā)出警報；當(dāng)連續(xù)監(jiān)測到3次以上Δa≥Δamin時，認(rèn)為發(fā)生斷鏈故障，系統(tǒng)自動切斷電機(jī)電源，并發(fā)出故障報警。

4 結(jié)語

重型刮板輸送機(jī)斷鏈自動監(jiān)測系統(tǒng)主要通過電氣實現(xiàn)操作，安裝方便，采用PLC編程，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用有效解決了刮板輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的飄鏈、斷鏈等事故，實施后效果良好，使煤炭企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步得到提高。