煤礦井下刮板輸送機運行參數監(jiān)測系統研究

楊海虹

（汾西礦業(yè)集團設備修造廠，山西 介休 032000）

0 引言

刮板輸送機是煤礦常用運輸設備，在煤礦井下應用較為廣泛，但是刮板運行監(jiān)測技術仍較為單一且方法落后，甚至部分煤礦仍通過工人經驗判定刮板輸送機運行參數，無法給刮板輸送機高效運行提供可靠保障[1-3]。部分煤礦雖然引進先進的數據采集、監(jiān)測技術等，但是受到煤礦井下空間狹小、設備繁多等因素影響，布線較為困難且容易導致線纜破損、通信中斷等問題[4]。為此，將工業(yè)以太網通信、無線傳感器監(jiān)測以及現場總線技術等融合，在充分發(fā)揮各通信技術優(yōu)勢基礎上，構建具備遠程智能監(jiān)控、故障預警以及運行記錄查詢功能的刮板輸送機運行參數監(jiān)測系統，以期提高刮板輸送機運行參數監(jiān)測能力并提升刮板輸送機運行可靠性。

1 運行參數監(jiān)測系統設計思路

對刮板輸送機運行參數進行監(jiān)測時，依靠井下以太網作為主要通信網絡，避免某一通信階段出現故障時引起整個通信網絡出現癱瘓；無線傳感器網絡通信節(jié)點接入到以太網并將數據傳輸至地面監(jiān)控中心服務器，服務器對數據處理、分析及顯示；地面監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令經以太網傳輸至井下，并經總線控制器傳輸至現場總線系統，實現刮板輸送機運行遠程調節(jié)，具體構建的刮板輸送機運行參數監(jiān)控系統架構如圖1 所示[5-6]。

圖1 刮板輸送機運行參數監(jiān)控系統架構

2 監(jiān)控系統結構

2.1 通信系統

2.1.1 工業(yè)以太網

煤礦工業(yè)以太網架構保包括地面及井下兩部分，為增強工業(yè)以太網通信能力及可靠性，地面及井下工業(yè)以太網均設計為環(huán)形。井下工業(yè)以太網主要用以連接總線控制系統、無線傳感器通信網絡，主要任務是實現井下數字化信息與地面以太網信息進行交互。地面以太網接收到井下以太網信息后，并將信息傳輸至監(jiān)控中心服務器，服務器對接收到的信息進行處理、分析、存儲及顯示[7]。

2.1.2 現場總線控制系統

現場總線控制系統用以實現刮板輸送機裝置運行控制，主要包括有軟啟動、停車、減速、灑水及報警等。刮板輸送機軟啟動依靠變頻器實現，通過變頻器可降低啟動帶來的電氣及機械沖擊，在刮板輸送機軟啟動時調節(jié)灑水流量，提升水利用效率。同時現場總線依靠控制器實現刮板輸送機減速、停車等控制。

2.1.3 無線通信模塊

在采面使用的無線通信應能滿足井下惡劣、復雜環(huán)境需要，具備有傳輸效率高、抗干擾能力強、不出現電線折斷以及便于安裝等優(yōu)勢。依據井下情況，無線通信收發(fā)芯片均采用Microchip 生產的TRF6901、AT53S71 微控器，工作頻率為427.53 MHz/428.16 MHz，選用的收發(fā)芯片具備有單價低、功率大、外界零件少、使用性強等特點。為確保設備連接可靠性，采用MAX565 接口芯片實現數據傳輸。

2.2 監(jiān)測數據采集及傳輸

2.2.1 無線傳感器

采用的無線傳感器本身就具備有自組織及多跳特性，可充分利用無線傳感器特性并經匯聚節(jié)點接入至井下以太網環(huán)境，降低采面布線工作量及難度并實現刮板輸送機全方位監(jiān)測。具體選用的各傳感器類型及功能為[8]：

1）氣敏傳感器。該傳感器主要用以監(jiān)測刮板輸送機周邊氣體成分、濃度，如實現瓦斯、CO 等氣體監(jiān)測，避免有害氣體超標引起安全事故。

2）超聲波傳感器。選用的超聲波傳感器主要通過超聲波實現鏈條、刮板等損傷探測，及時發(fā)現鏈條及刮板潛在損傷，避免出現斷裂事故，提高運行保證能力。

3）測速傳感器。選用的測速傳感器用以監(jiān)測電機、鏈板速度，通過電機、鏈板速度對比判定刮板輸送機動力、傳動部分是否出現故障。

4）壓力傳感器。選用的壓力傳感器對鏈條作用到溜槽上壓力進行測定，通過壓力測定判定是否出現超載問題，同時可避免刮板輸送機過載、電機過載等問題。

5）溫度傳感器。選用的溫度傳感器用以實現刮板輸送機電機溫度、周邊溫度等監(jiān)測，當發(fā)現溫度異常時采用減速或者停車方式，避免異常高溫持續(xù)。

2.2.2 驅動裝置監(jiān)測

刮板輸送機驅動裝置結構如圖2 所示，置于機頭及機尾處驅動電機經液力偶合器、減速器等帶動鏈輪轉動，驅動刮板鏈循環(huán)移動，將刮板輸送機溜槽煤炭運至機頭位置實現轉載、外運。刮板輸送機運行期間，若驅動裝置出現故障則會直接原煤運輸，常見的驅動裝置故障類型包括有啟動電機運行異常、軸承或者齒輪等嚴重磨損、減速器潤滑效果差等。

圖2 驅動裝置結構圖

監(jiān)測系統主要監(jiān)測內容包括有電機電壓、電流、轉速、機體內溫度等；減速器輸入、輸出軸溫度、減速器內液壓油溫、油量等；冷卻液溫度、流量等。

構建的驅動裝置監(jiān)測系統主要結構模塊包括有A/D 轉換模塊、數據采集模塊、信號調理模塊、上位機顯示模塊、無線通信模塊、單片機以及本安電源等。

2.2.3 數據采集

數據采集是刮板輸送機運行參數監(jiān)測的重要組成單元，監(jiān)測數據精準性會給監(jiān)測系統性能產生直接影響。數據采集模塊主要結構組成包括有傳感器、A/D轉化器、單片機（型號STC11F60XE）、信號調理器等構成。采用傳感器均具備無線通信功能，類型包括有流量、溫度、電流及液位等，選用的傳感器均為本安防爆型。傳感器主要功能是監(jiān)測刮板輸送機運行參數并經相關電路處理后將電信號轉換成數字信號，最后暫時存儲在單片機緩沖區(qū)，等待信號傳輸，具體數據采集流程如圖3 所示。

圖3 數據采集流程

3 現場測試分析

將上文所述刮板輸送機運行參數監(jiān)測系統應用到山西某礦1305 綜采工作面刮板輸送機運行監(jiān)測中。采面使用的刮板輸送機類型為SGB620/40T，額定運輸能力150 t/h，采面內鋪設長度為100 m，鏈條運行速度0.86 m/s，裝機功率為40 kW，刮板鏈破斷力為850 kN，通過水冷方式為減速器降溫。現場應用后監(jiān)測系統、現場人工測定獲取得到刮板輸送機運行參數見表1。

表1 監(jiān)測系統及現場人工監(jiān)測結果

通過對比表1 數據得知，監(jiān)測系統與人工監(jiān)測獲取數據結果相近，偏差較小，表明現場采用的監(jiān)測系統監(jiān)測精度較高、通信系統可實現監(jiān)測數據高精度傳輸。

4 結語

現有刮板輸送機多采用人工方式監(jiān)控，存在效率低問題，難以滿足采面高效生產需求。為實現刮板輸送機運行參數在線監(jiān)測，綜合無線傳感器、現場總線控制系統構建運行參數監(jiān)測系統，并對該系統網絡拓撲結構、驅動裝置位置監(jiān)測布置、通信方式等進行參數。構建的監(jiān)測系統可實現刮板輸送機運行遠程監(jiān)控，在一定程度增強刮板輸送機運行參數掌握、故障預警能力。在1305 綜采工作面SGB620/40T 刮板輸送機上應用表明，監(jiān)測系統獲取得到的刮板輸送機運行參數與人工監(jiān)測參數接近，監(jiān)測系統運行平穩(wěn)，表明構建的監(jiān)測系統較為可靠、監(jiān)測數據有效，通過監(jiān)測系統可排除刮板輸送機運行時潛在故障。