刮板輸送機斷鏈監控系統設計與應用*

劉益康

(山西陽城陽泰集團伏巖煤業有限公司，山西 晉城 048100)

0 引 言

刮板輸送機作為煤炭掘進工作正常開展的重要設備，具有環境適應性大、輸送能力強等特點，已在煤炭行業得到了較為廣泛的應用[1-3]。刮板輸送機運行過程中的環境條件極為復雜，如酸性腐蝕、煤炭沖擊等，工作可靠性要求非常高，鏈條作為刮板輸送機關鍵組成部件，工作過程中極易出現斷鏈故障，運行中一旦出現故障，不僅會導致煤炭綜采工作面工作的停滯，還會威脅到井下設備及曠工的安全[4-6]。因此開展刮板輸送機斷鏈監控系統設計與應用研究，及時了解刮板輸送機的運行情況，對于提高煤炭輸送效率和安全性具有重要的意義。

筆者通過分析刮板輸送機斷裂故障現狀，得出了刮板輸送機對監控系統的設計要求，基于某刮板輸送機應用現狀開展了監控系統結構設計、硬件設計、軟件設計等工作，達到了刮板輸送機斷裂故障監控目的，解決了其頻繁斷鏈的問題。

1 監控系統設計方案概述

1.1 監控系統設計要求

刮板輸送機作為煤炭生產運行中運行時間較長、載荷情況復雜的關鍵設備，使用過程中不可避免的出現故障問題，其中較為常見的故障是斷鏈，一旦出現不僅影響煤炭輸送效率，還會增加煤炭企業的成本投入。為了實現刮板輸送機斷鏈故障的監控功能，提出了以下具體設計要求：①監控系統硬件要求具有很好的防暴性能；②系統需要具備手動和自動控制兩種模式，分別實現系統的調整調試與正常運行功能；③系統要具備刮板輸送機斷鏈故障報警及故障定位功能，更好的指導運維人員進行故障排除工作；④監控系統具備遠程監控功能，能夠實時顯示刮板輸送機鏈條等關鍵部件的運行狀態；⑤系統具有較強的數據存儲能力，通信迅速。

1.2 系統結構設計

監控系統選擇控制器作為系統的數據處理核心部件，系統中的偏移傳感器和斷鏈點定位傳感器均選擇防暴級產品，具有較好的安全性和防護等級。刮板輸送機斷鏈監控系統方案如圖1所示，整個刮板輸送機斷鏈監控系統設置有偏移傳感器10個，斷鏈點定位傳感器2個，前者裝設于刮板輸送機機頭機尾中部槽的兩側，對稱分布，其中機頭安全3組，機尾安裝2組，整個監控系統運行時實時采集刮板輸送機鏈條上五個位置的偏移數據進行分析計算處理，兩個斷點定位傳感器裝設于刮板輸送機機頭鏈輪上蓋板處。監控系統設計了驅動電機變頻控制功能，實時采集刮板輸送機電機電流和刮板鏈的速度，具有刮板鏈故障停機、速度調整功能。監控系統觸摸屏作為現場監控上位機和控制器安裝于現場控制柜內，工控機作為遠程監控上位機安置于地面集控室內。

圖1 監控系統方案

2 系統硬件設計

2.1 傳感器

系統采用置于刮板輸送機機頭和機尾中部槽兩側對稱布置的2個電感式接近開關傳感器監測刮板鏈的偏移距離。系統選擇施耐德XS1N30PA349電感式接近開關，安裝位置如圖2所示，機頭位置安裝3組，分別標號為機頭 1#傳感器組、機頭2#傳感器組和機頭3#傳感器組；機尾位置安裝3組，分別標號為機尾1#傳感器組和機尾2#傳感器組。

圖2 傳感器安裝位置

刮板鏈斷鏈故障定位傳感器要求能夠快速準確的提供斷鏈故障位置并將相關數據實時顯示于人機交互界面中，基于此搭建了射頻識別系統，包括讀寫頭、載碼體和信號轉接器。其中讀寫頭的型號為TB-M18-H1147，載碼體的型號為W-R7.5-B128，信號轉接器的型號為TI-BL67-GW-DPV1-8。

2.2 控制器

鑒于監控系統的使用環境極為惡劣，涉及煤塵、干擾、濕熱等，控制器選擇PLC邏輯控制器。PLC技術成熟度高、環境適應性強，能夠很好的滿足刮板輸送機監控系統的設計要求。所謂的PLC是一種微處理機數字電子設備，內部集成了CPU、存儲器、電源、通信等模塊，能夠完成數據的采集、分析和處理的任務，同時，能夠與控制系統直接連接，擴展性很好。PLC選用西門子S7-1200 CPU 1214C AC/DC/繼電器，內置CSM 1277以太網模塊和CM 1241RS485通訊模塊完成刮板輸送機電機變頻器、射頻識別系統和上位機之間的通訊。

2.3 控制柜

控制柜是監控系統的重要組成部分，要求具有很好的防暴性能，設計控制柜時選擇厚度4 mm的Q235鋼板經密封焊接而成，箱體做成隔爆腔和增安腔兩個結構，具體結構如圖3所示，控制柜表面進行靜電噴涂處理。監控系統配置了帶電閉鎖監測，具有監控系統運行時不可以打開控制柜的功能，避免了控制柜在帶電狀態下開啟產生火花的安全隱患。為了提高控制柜的操作安全性，報警信號燈、操控按鈕、觀察玻璃均采用防暴產品。

圖3 控制柜示意圖1.隔爆腔艙門 2.觸摸屏觀察窗 3.本安腔艙門 4.艙門把手 5.防爆控制按鈕

3 軟件設計

3.1 程序結構

刮板輸送機斷鏈監控系統軟件設計主要是完成PLC程序的編制，使用的工具多是TIA Portal Step7 Professional V12軟件。根據刮板輸送機斷鏈監控系統的設計方案的要求，系統涉及手動控制和自動控制兩種模式，其中手動控制模式用于系統的調試與故障排查，自動控制模式用于刮板輸送機斷鏈故障的實時監控。按照PLC模塊化設計的思想，軟件設計包括系統初始化、速度電流讀取、電流控制算法、刮板偏移控制算法、斷鏈點定位控制算法、上位機參數和手動控制等多個子程序，監控系統程序結構如圖4所示。

圖4 監控系統程序結構

3.2 系統主程序

刮板輸送機斷鏈監控系統的主程序是實現實時監控功能的基礎，是整個監控系統功能實現的程序骨干，包含了整個刮板鏈斷鏈故障監測、識別、故障報警和定位的全過程，主程序流程如圖5所示。由圖4可以看出，基于刮板輸送機斷鏈監控系統方案完成的PLC主程序中包括了初始化控制程序、速度電流的讀取程序、電流監控程序、刮板偏移距離監控程序、定位故障點和報警程序等。在該監控系統主程序的運行下，能夠實現刮板輸送機斷鏈故障實時監控的功能。

圖5 監控系統主程序

4 人機交互界面

刮板輸送機人機交互界面的主要作用是實時顯示刮板鏈的運行狀態，供監控人員及時獲取刮板鏈的運行信息及變化趨勢，一旦出現刮板鏈斷鏈故障，能夠及時顯示報警信號，提示斷鏈位置，指導運維人員及時排除故障，保證刮板輸送機的安全穩定運行。圖6所示給出了監控系統的主界面，能夠實時顯示驅動電機的電流及電流差、斷鏈檢測傳感器數據、刮板鏈的偏移距離、故障報警提示等，具有很好的實用性。

圖6 監控系統主界面

5 應用效果評價

為了驗證刮板輸送機斷鏈故障監控系統設計的可行性，將其應用于某企業刮板輸送機進行試運行，對其進行為期4個月的跟蹤記錄。結果表明，斷鏈監控系統運行穩定可靠，滿足最初的設計要求，能夠實時顯示刮板鏈的運行狀態并進行故障報警。統計結果顯示，該監控系統的應用，降低了刮板輸送機近15%故障排查時間，減少了2～3名運行維護人員，提高了刮板輸送機近10%有效利用率，降低了煤炭掘進成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100萬/年，取得了很好的應用效果。