礦井刮板輸送機傳輸鏈條斷鏈故障監測系統設計研究

楊士偉

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

刮板輸送機是礦井開采煤炭生產過程中的運輸設備，具有運輸距離長、運載量大、可連續工作等技術優點，該機械設備的可靠性、安全性關系到了煤炭開采的生產效率。礦井內惡劣的生產環境，容易對刮板輸送機的各個零部件造成磨損甚至破壞。尤其是鏈條部件如果出現斷鏈的故障，將使得整個開采過程停止，甚至會導致作業人員出現傷亡。目前大多數研究都是針對于刮板鏈條前期設計方面的力學分析，在對鏈條故障進行監測方面的研究較少[1]。該方面將是煤礦本質安全管理的重要課題，有必要設計出刮板輸送機斷鏈監測系統，能夠及時有效地監測斷鏈故障。該系統能夠有效地指導技術人員處置斷鏈故障，提高對礦井設備的管理水平，為礦井智能監測系統的研發提供了依據。

1 斷鏈故障分析

刮板輸送機是一種連續運輸的機械設備，是通過電動機的牽引實現鏈條結構撓性運動的運輸設備。刮板輸送機主要分為機頭、機尾、中間及相關附屬機構等組成，主要的機械構件包括電機、機頭架、中部槽、刮板、鏈條、過度槽等，以SGZ1000/2100型刮板輸送機為研究對象，其整體結構如圖1所示。

圖1 SGZ1000/2100型刮板輸送機整體結構示意圖

該型號刮板輸送機的運載能力為2 700 t/h、總功率為3×700 kW、鏈條連接方式為3個M30螺栓、電動機額定功率為700 kW。刮板鏈條的類型主要分為中單、邊雙和中雙鏈條三種類型[2]，由于中雙鏈條型的刮板輸送機在承載運輸煤炭物料時的性能更好，常在煤礦企業廣泛使用。為了獲取鏈條斷裂時的模擬信號，監測系統應監測到輸送機在運行時是否有異響，機頭和機尾電動機的電流差值是否過大，刮板鏈條是否存在異常的振動以及卡鏈的情況。

2 斷鏈監測系統組成

監測系統要實現其監測的功能，應集合硬件和軟件兩大部分，并且兩個部分都應相互兼容。同時硬件應是防水、防潮、防爆的本質安全型設備，根據刮板輸送機偏移位置量以及鏈條應力最大點的位置，布置12個傳感器監測點，其中10個安裝于鏈條位移偏移量較大位置，另外2個安裝于容易發生斷鏈的地方[3]。監測軟件集合工控機、上位機、變頻器等電氣設備并集中安裝于現場控制柜內，硬件布局圖如圖2所示。

圖2 監測系統硬件布置示意圖

3 監測系統硬件的設計

3.1 傳感器的選型

監測系統的功能依靠各類傳感器來實現，每個傳感器是通過RS-485現場總線來實現數據的共享傳輸[4]，并且每個數據都能在各個變頻器上直接讀取。傳感器中最關鍵的為接近開關傳感器，當鏈條通過傳輸接近某個傳感器時，將發生觸碰效應。選取施耐德XS1N30PA349接近開關傳感器布置在監測系統內部，該型號傳感器的測量距離為20 mm、接線方式為PNP。在該類型傳感器的附近同時設置五組齊平布置的傳感器，每個間距為912 mm[5]。同時選取圖爾克TB-M18-H1147型號的定位傳感器，結合惡劣的綜采工作面環境，采用比繼電器更適應礦井工作的PLC作為中央控制器。工作人員觀察使用的上位機觸摸屏選用MCGS-Tpc7062K，能夠滿足數據采集、分析、監測等功能。

3.2 硬件通訊技術

硬件之間的通信主要實現井下監測系統與通信和井下與地面的通信。通訊技術基于Profibus協議與Modbus協議，根據開采方向不斷調整通訊的方案。將PLC觸摸屏、接近開關傳感器、射頻系統、工控機等重要部件的數據進行傳輸[6]，如圖3為監測系統的總方案設計圖。

圖3 監測系統通信總方案設計圖

4 遠程監控組態設計及監測驗證

4.1 上位機監控功能

上位機監控功能主要包括顯示功能、操作功能、報警功能等三大部分模塊。其中最關鍵的是報警功能，該功能能夠根據刮板鏈條的運行狀態，及時生成報警信息以及相關參數報表。但是三大功能的實現均離不開以下工作步驟：一是在MCGS組態軟件中新設立監控程序；二是創建組態界面；三是對各個硬件重新編寫定義；四是儲存數據庫并形成區塊查閱功能。

4.2 界面組態設計

監控界面的設計應實現人機交互的可拓展性，西門子S7-1200PLC硬件的驅動程序配合MCGS觸摸屏，滿足技術人員對數據進行實時采集并且遠程操作關鍵工序。其中最關鍵的是刮板輸送機的監測主界面，能夠顯示五組開關傳感器運行信息，并且對鏈條的每個節點重新編號，便于技術人員查找故障點。完成主界面的設置后，還應對電機電流界面、刮板鏈條速度界面、刮板鏈條偏移界面、記錄參數設置界面、報警顯示界面進行組態設計，主界面的監測示意圖如圖4所示。

圖4 刮板鏈條的主界面監測圖

4.3 工程實驗的監測驗證

為了確保刮板鏈條的斷鏈監測系統能夠在工程應用中起到實際效果。按照實際工況條件設置相符的模擬實驗平臺，對鏈條的運行狀態與顯示器上的數據進行對比，判斷監測系統的工作性能。安裝實驗平臺時，應該檢查PLC、傳感器、觸摸屏等關鍵部件之間的數據傳輸是否正確，數據的傳輸位數應統一設置為64位，并重新通過手動模式初始化系統，檢測機頭、機尾的電流值是否正常。

監測系統的測試片——斷鏈測試扁鐵安裝于實驗臺中鏈條容易斷的刮板位置，設置變頻器頻率為5 Hz、10 Hz、15 Hz和20 Hz啟動實驗臺測試刮板斷鏈點位置，當斷鏈實驗臺啟動變頻器頻率為5 Hz和10 Hz時斷鏈點定位結果準確，當斷鏈監測實驗臺啟動變頻器頻率為15 Hz、20 Hz和25 Hz時斷鏈點定位產生誤差。

同時結合兩端電機電流差值的判斷方法，在參數設置界面設置電機電流差0.5 A，開啟斷鏈監測實驗臺，當電機電流差0.5 A時，監測系統沒有預警，人為給刮板輸送機運行阻力并保持到實驗臺停機為止，如下頁圖5所示，當電機電流差0.5 A，經過10 s后監測系統預警，當阻力維持時間超過30 s監測系統發出停機指令，實驗證明設計的刮板輸送機機頭機尾電流差監測手段能夠監測到刮板輸送機斷鏈故障。

圖5 刮板鏈條電流差監測示意圖

5 結語

由于礦井惡劣的工作環境，刮板輸送機的關鍵零部件——刮板鏈條容易受到磨損甚至產生斷裂的現象，嚴重影響了煤礦開采生產的連續性，甚至對工作人員造成生命健康威脅。通過設計刮板鏈條的斷鏈監測系統，能夠及時對鏈條的運行狀態進行監測，并且采用變頻器頻率檢測與電流差值檢測的方法，實現了對刮板輸送機鏈條故障的監測判斷，有效地提高了刮板輸送機本質安全性能。