煤礦刮板輸送機斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)設計及應用研究

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）

刮板輸送機是煤礦開采工作面中的重要機電裝備，作用是將采煤機開采獲得的煤礦物料輸送到破碎機或帶式輸送機中。工作面的運行環(huán)境比較復雜，且刮板輸送機需要連續(xù)運行，刮板鏈特別容易出現(xiàn)故障，嚴重時會出現(xiàn)斷鏈的情況[1-2]。一旦刮板輸送機出現(xiàn)斷鏈問題，輕者對煤礦連續(xù)生產(chǎn)造成影響，重則引發(fā)設備、人員安全事故，造成嚴重后果[3]。本文結(jié)合實際情況，設計研究了斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，將其部署到工程實踐中。

1 刮板輸送機概述

刮板輸送機是煤礦開采工作面中非常關(guān)鍵和重要的運輸裝備，如圖1 所示為典型刮板輸送機的主要結(jié)構(gòu)示意圖。刮板輸送機主要由機頭和機尾鏈輪、刮板鏈以及上下溜槽等機械結(jié)構(gòu)構(gòu)成。工作時由電機輸出的動力，經(jīng)減速器后輸入到驅(qū)動鏈輪中，驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈間通過嚙合的方式進行動力傳輸，進而驅(qū)動整個刮板鏈作循環(huán)往復運動，實現(xiàn)煤礦物料的運輸[4]。本文主要以煤礦中經(jīng)常使用的SGZ1000/2100 型刮板輸送機為對象進行研究。該設備同時由三臺電機驅(qū)動，每臺電機的功率為700 W，刮板鏈的最大運行速度為1.41 m/s，可達到的最大運輸能力為2700 t/h。刮板輸送機鏈條系統(tǒng)特別容易出現(xiàn)故障，鏈條系統(tǒng)故障率占整個刮板輸送機故障率的50%以上，所以需要研究斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，對刮板輸送機的鏈條系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，提升設備運行穩(wěn)定性。

圖1 刮板輸送機的主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 斷鏈檢測方法及監(jiān)測系統(tǒng)整體方案

2.1 斷鏈檢測方法

（1）基于刮板偏移的監(jiān)測方法。當刮板輸送機出現(xiàn)斷鏈故障時，刮板偏離原來的與運行方向垂直的關(guān)系，而是與前進方向呈現(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)通過該位置的時間差達到一定程度，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）基于機頭機尾電機電流差的監(jiān)測方法。正常情況下，在控制系統(tǒng)的作用下，刮板輸送機機頭和機尾部位的電機電流能夠保持平衡狀態(tài)，兩者之間的差值不會很大。當出現(xiàn)斷鏈故障時，會導致設備出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，此時機頭和機尾部位的電機電流會出現(xiàn)明顯的差異。基于傳感器對電機電流進行檢測即可判斷刮板鏈是否存在斷鏈問題。

（3）斷鏈定位方法。在刮板輸送機中設置一個基準刮板，同時在一個固定位置設置定位傳感器。定位傳感器可以記錄基準刮板通過該位置時的時間t1，再記錄出現(xiàn)斷鏈的刮板通過該位置時的時間t2。兩個時間的差值，再結(jié)合刮板鏈的運行速度，可判斷出現(xiàn)斷鏈的具體位置。

2.2 整體方案設計

如圖3 所示為刮板輸送機的斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)整體方案示意圖。由圖可知，共設置了五組傳感器組對刮板輸送機的斷鏈情況進行監(jiān)測，其中機頭三組、機尾兩組，每組有兩個傳感器，共使用了十個傳感器。利用變頻器可以對三部電機的運行電流值進行監(jiān)測。在機頭鏈輪上蓋板部位安裝兩個斷鏈點定位傳感器。所有監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂破髦羞M行分析與處理，控制器與觸摸屏進行連接，可以實現(xiàn)人機交互。集控室設置在礦井的地面，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與控制器之間的連接。控制器采集并分析的數(shù)據(jù)傳入到工控機中，并在監(jiān)測大屏上實時顯示刮板輸送機鏈條系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

圖3 斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)整體方案設計

3 斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件和軟件設計

3.1 主要硬件選型設計

（1）控制器。對于斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)而言，控制器是非常重要的硬件設施，其性能好壞會對整個監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。結(jié)合實際情況，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。控制器基于RS-485 模塊實現(xiàn)與各傳感器之間的連接，基于工業(yè)以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)與上位機之間的連接[5]。

（2）傳感器。監(jiān)測系統(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，作用分別是對刮板的偏移狀態(tài)和斷鏈位置進行檢測。前者選用的型號XS1 N30PA349，后者選用的型號為TB-M18-H1147。考慮到礦井復雜的工作環(huán)境，選用的各項硬件設施均屬于本質(zhì)安全型設備，具有良好的防爆功能。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件程序采用模塊化思想進行設計，即設計一個主程序和多個子程序，主程序運行時只需要對各個子程序進行調(diào)取運行即可[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、斷鏈點定位算法子程序等。如圖4 所示為監(jiān)測系統(tǒng)的主程序工作流程圖。由圖可知，監(jiān)測系統(tǒng)上電運行后，首先需要對各項硬件設施進行初始化處理，然后對刮板鏈的速度進行讀取。在確保速度滿足要求后，開始對電機電流以及刮板的偏移情況進行檢測。如果存在異常情況，還需要對故障點進行定位，同時將相關(guān)結(jié)果在屏幕上進行顯示。當報警次數(shù)達到一定程度后，需要對刮板輸送機進行停機處理，以保障設備的運行安全。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)的主程序工作流程圖

4 斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)應用效果分析

為了對設計的刮板輸送機斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)的性能進行檢驗，將系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中，并對其運行效果進行連續(xù)三個月時間的現(xiàn)場測驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的運行穩(wěn)定性，整個測驗期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。監(jiān)測系統(tǒng)的成功實踐應用，可以對刮板輸送機的鏈條系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，當出現(xiàn)故障或安全隱患時，系統(tǒng)可以向外發(fā)出故障報警信號。經(jīng)初步統(tǒng)計分析認為，系統(tǒng)的應用可以減少刮板輸送機運行維護人員2～3 名，出現(xiàn)故障時的故障排除時間與前期相比縮短了15%左右，顯著提升了設備運行過程的穩(wěn)定性和可靠性，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和安全效益。

5 結(jié)論

以SGZ1000/2100 型刮板輸送機為對象，對斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)進行了設計，并將其應用到工程實踐中。系統(tǒng)主要基于刮板偏移方法和機頭機尾電機電流差值法來監(jiān)測刮板鏈的故障問題，并利用定位傳感器確定斷鏈具體位置。礦井地面設置有集控中心，可以通過監(jiān)測大屏實時顯示刮板輸送機鏈條系統(tǒng)的運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障問題時會及時向外發(fā)出警報。軟件程序方面，采用模塊化思想進行設計，既方便程序編寫也方便后續(xù)程序維護。