刮板輸送機斷鏈監測系統設計

任保明

（南煤集團南莊公司， 山西 陽泉 045000）

引言

刮板輸送機與采煤機、液壓支架并稱為綜采工作面的“三機”，其不僅承擔工作面的運輸任務，而且為采煤機行走提供軌道，為液壓支架推溜提供支撐和支點。在實際生產中，刮板輸送機電機、液力耦合器、減速器及刮板鏈經常出現故障，從而影響整機的運輸性能和生產效率。本文針對刮板輸送機刮板鏈斷裂故障開展研究，傳統刮板輸送機斷鏈保護裝置在實際應用中存在故障發現太晚的問題，容易擴大故障范圍[1]。因此，本文將設計一款刮板輸送機斷鏈監測系統，以實現對刮板輸送機運行狀態監測和斷鏈故障的預測。

1 刮板輸送機斷鏈故障分析與方案設計

本節重點對刮板輸送機斷鏈故障進行分析，并完成斷鏈監測系統總體方案的設計。

1.1 刮板輸送機斷鏈故障分析

刮板輸送機是綜采工作面的主要運輸設備，典型刮板輸送機的結構如圖1 所示。

圖1 典型刮板輸送機結構示意圖

統計表明，刮板輸送機鏈條故障主要表現在鏈條、接鏈環、刮板和鏈輪四個位置。總的來講，刮板輸送鏈條故障占據其所有故障的51%，其中，鏈條、接鏈環、刮板及鏈輪的故障分別占21.1%、4.4%、8.8%和16.7%[2]。經驗表明，導致刮板輸送機鏈條頻繁出現故障的主要原因包括刮板輸送機刮板鏈本身的疲勞磨損、工作面頂板矸石對刮板鏈條的沖擊、刮板螺栓出現斷裂、張緊故障導致鏈條斷裂等。

1.2 斷鏈監測系統總體設計

為保證斷鏈監測系統能夠準確對刮板輸送機的鏈條運行狀態和故障信息進行準確判斷，要求斷鏈監測系統在通用性、操作性及可靠性等方面滿足《煤炭安全規程》的相關標準和規范要求。具體需滿足如下要求：

1）監測系統的硬件選型必須滿足防爆要求，確保其符合《煤炭安全規程》的安全性要求；

2）斷鏈監測系統可在自動和手動兩種模式下運行，其中手動模式主要是對系統進行調試和維護，一般正常監測功能的實現為自動運行模式；

3）斷鏈監測系統可對斷鏈故障進行預測、報警和定位；

4）斷鏈監測系統具有遠程監控功能，基于數據傳輸通信將鏈條的運行狀態和故障信息上傳至上位機[3]。

刮板輸送機斷鏈監測系統的兩大功能為：其一對斷鏈故障進行準確預測并監測；其二對故障點進行定位，為后續系統維護奠定扎實的基礎。針對刮板輸送機斷鏈故障的判斷，可采用刮板偏移距離監測方法（主要監測）和機頭機尾電機電流監測方法（輔助監測）；采用斷鏈點定位監測方法對斷鏈故障的發生位置進行確定。

基于上述兩大監測方法和故障定位方法，設計如圖2 所示的刮板輸送機斷鏈監測系統。

如圖2 所示，刮板輸送機斷鏈監測系統由集控室、控制柜和現場設備層組成，其中集控室為上位機，主要對刮板輸送機鏈條運行狀態和故障位置點進行顯示并存儲；控制柜為對刮板輸送機鏈條運行狀態采集數據進行處理的核心，并通過觸摸屏完成相關控制指令的輸入；設備層主要包括在刮板輸送機現場配置的斷鏈點定位傳感器、機頭傳感器和機尾傳感器等元器件。

圖2 刮板輸送機斷鏈監測系統總體方案

2 刮板輸送機斷鏈監測系統的設計

本節主要完成刮板輸送機斷鏈監測系統的硬件和軟件設計。

2.1 硬件設計

刮板輸送機斷鏈監測系統的硬件主要包括設備層的各類傳感器、控制柜中的控制器和觸摸屏，以及集控室中工控機。

2.1.1 傳感器的選型

基于刮板偏移距離監測方法是判斷鏈條是否斷裂的關鍵，該項功能實現的核心舉措為：在刮板輸送機機頭和機尾兩個位置分別對稱安裝電感式接近開關傳感器，以對刮板的偏移距離進行監測[4]。結合JOYSGZ1000/2100 刮板輸送機的結構，本系統配置型號為XS1N30PA349 電感式接近開關，該型傳感器在刮板輸送機的安裝情況如圖3 所示。

圖3 電感式接近開關安裝示意圖

對斷鏈故障點的準確定位是斷鏈監測系統的主要功能之一，為保證定位功能的實現，本系統采用圖爾克標準組建式射頻識別系統為其定位傳感器，該傳感器包括讀寫頭、載碼體及信號轉接器，各個部件的選型結果如表1 所示。

表1 定位傳感器各部件選型結果

2.1.2 控制器的選型

控制器為對所采集數據進行分析處理的核心，目前工業中常用且性價比較高的控制器為PLC 控制器，本系統將采用S7-1200 PLC 控制器，與該控制器相配套的其他模塊如表2 所示。

表2 與S7-1200PLC 控制器配套的其他模塊

2.1.3 其他硬件的選型

除了上述傳感器和控制器以外，觸摸屏、工控機和組態軟件為該監測系統的核心硬件。其他硬件選型

結果如表3 所示。

表3 其他硬件選型

2.2 軟件設計

在上述硬件作為支撐的基礎上，需要合理、可靠的軟件流程保證斷鏈監測系統功能的實現。總的來講，斷鏈監測系統在主程序下包括系統初始化子程序、速度電流讀取子程序、電流控制算法子程序、刮板偏移控制算法子程序、斷鏈點定位控制算法子程序、上位機參數子程序和手動程序[5]。

結合刮板輸送機斷鏈監測系統的功能實現，其對應的主程序流程如圖4 所示。

圖4 斷鏈監測系統主程序流程圖

3 斷鏈監測系統可行性驗證

鑒于綜采工作面環境惡劣且在現場調試的難度較大。因此，在實驗室搭建平臺對所設計的斷鏈監測系統的可行性進行驗證。所搭建的實驗室驗證平臺如下頁圖5 所示。

圖5 斷鏈監測系統實驗室驗證平臺

本文所設計的斷鏈監測系統根據對刮板鏈的偏移距離進行監測，從而判斷其是否發生斷鏈故障。因此，對偏移距離的準確監測是保證準確報警的關鍵。故本次試驗對刮板不同偏移距離的誤差進行測試，測試結果如表4 所示。

表4 斷鏈監測系統監測精度

4 結語

刮板輸送機為綜采工作面的主要運輸系統，其不僅承擔運輸任務，還為液壓支架推溜提供支點，為采煤機行走提供軌道。為解決傳統刮板輸送機斷鏈監測系統響應速度慢、滯后性能嚴重導致故障進一步擴大的問題，本文基于PLC 控制器完成刮板輸送機斷鏈監測系統的設計，主要監測依據為對電機電流和刮板偏移距離進行監測的基礎上判定是否出現斷鏈故障，并根據判定結果對故障點進行定位。