宋尚山

（西山煤電（集團(tuán)）股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

目前，國內(nèi)各大型、特大型礦井的主要開采方式已經(jīng)都轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟛筛?、長走向、超長工作面、一井兩面甚至一井一面，其中很多礦井實(shí)現(xiàn)了日產(chǎn)量3萬t以上，年產(chǎn)量千萬噸以上的目標(biāo)。刮板輸送機(jī)成套裝備是長壁工作面的主要運(yùn)輸裝置，其技術(shù)水平對(duì)綜采工作面的安全高效生產(chǎn)有著非常重要的影響。為了滿足單工作面千萬噸級(jí)礦井生產(chǎn)需要，國內(nèi)外刮板輸送機(jī)成套裝備的發(fā)展趨勢已經(jīng)逐漸變?yōu)橐竽赀^煤量超過千萬噸的智能化、重型刮板輸送機(jī)。在重型和大運(yùn)量方面，國內(nèi)已經(jīng)研制出了裝機(jī)功率達(dá)到3×1 000 kW、3×1 500 kW、3×1 600 kW，槽寬為1 000mm、1 350mm、1 500mm的重型刮板輸送機(jī)成套裝備。但是與刮板輸送機(jī)運(yùn)量不斷提高相比，重型刮板輸送機(jī)的自動(dòng)化程度相對(duì)較低。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、變頻調(diào)速軟啟動(dòng)技術(shù)以及鏈條張力自動(dòng)控制與故障診斷技術(shù)將成為未來重型刮板輸送機(jī)智能化的重要研究方向[1-2]。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)主要組成部分有：異地遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、地面調(diào)度室集控平臺(tái)、井下監(jiān)控子系統(tǒng)。

1.1 異地遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

異地遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)是將行業(yè)專家以及設(shè)備的制造方、使用方連接起來，從而保證設(shè)備在井下高效穩(wěn)定的工作，完成對(duì)設(shè)備全壽命周期的管理。設(shè)備的生產(chǎn)廠家在安裝設(shè)備時(shí)應(yīng)該設(shè)有監(jiān)測中心，從而能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到所銷售產(chǎn)品的運(yùn)行信息，廠家在對(duì)這些信息整理、分析后更好的為煤礦提供技術(shù)服務(wù)；并且這些信息也能為專家判斷設(shè)備健康狀況提供參考，起到輔助決策的作用。目前異地遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的發(fā)展主要有兩個(gè)障礙：一個(gè)是刮板輸送機(jī)工況監(jiān)控屬于礦井生產(chǎn)的輔助功能，因此不論是煤礦還是設(shè)備生產(chǎn)廠家重視度都不夠，并且煤礦企業(yè)出于對(duì)安全的考慮不愿進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；二是監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控點(diǎn)不夠豐富，收集到的信息不夠全面。

1.2 地面調(diào)度室集控平臺(tái)

地面調(diào)度室集控平臺(tái)可以設(shè)置監(jiān)控服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及Web服務(wù)器，這些服務(wù)器可以遠(yuǎn)程控制井下設(shè)備，管理設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，還可以與設(shè)備生產(chǎn)廠家、專家共享運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.3 井下監(jiān)控子系統(tǒng)

井下監(jiān)控子系統(tǒng)的組成部分有：巷道集控平臺(tái)、振動(dòng)采集裝置、伸縮機(jī)尾控制裝置、視頻采集裝置、鏈條控制診斷裝置、變頻控制器、減速器監(jiān)測裝置。巷道集控平臺(tái)是井下監(jiān)控子系統(tǒng)的上位機(jī)接收刮板輸送機(jī)的運(yùn)行信息并上傳至調(diào)度室集控平臺(tái)，同時(shí)工人可以通過工作面巷道集控平臺(tái)控制刮板輸送機(jī)的啟停以及推移、拉架等；減速器監(jiān)測裝置負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集減速器軸的溫度，潤滑油的溫度、壓力、液位，以及冷卻水的溫度、流量；電機(jī)工作時(shí)的電流、電壓等物理量可通過開關(guān)讀取。

2 鏈條張力自動(dòng)控制與故障診斷技術(shù)

當(dāng)煤壁出現(xiàn)片幫時(shí)，刮板輸送機(jī)的瞬間負(fù)荷增大；采煤機(jī)往復(fù)割煤時(shí)，刮板輸送機(jī)的負(fù)荷也呈周期性變化。而負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致刮板輸送機(jī)鏈條張緊程度的變化：鏈條過松會(huì)導(dǎo)致堆鏈，影響與鏈輪的嚙合，容易發(fā)生斷鏈、跳鏈；鏈條過緊會(huì)加大壓鏈板和鏈條的磨損程度。所以根據(jù)負(fù)荷的變化改變鏈條的張緊程度能夠提高設(shè)備的可靠性和使用壽命，減少部件的磨損。為了達(dá)到這一目的，國內(nèi)外多采用自動(dòng)伸縮機(jī)尾的技術(shù)來自動(dòng)控制鏈條張力。

2.1 鏈條故障診斷技術(shù)

目前常用的鏈條故障診斷技術(shù)有兩種：第一種鏈條故障診斷方法的原理圖如圖1-1所示，正常情況下鏈條帶動(dòng)刮板勻速的通過擺輪，當(dāng)刮板接觸擺輪時(shí)會(huì)推動(dòng)彈簧板從而接近霍爾開關(guān)，這時(shí)開關(guān)會(huì)輸出低電平；當(dāng)刮板通過后，彈簧板推動(dòng)擺輪復(fù)位，彈簧板遠(yuǎn)離霍爾傳感器霍爾開關(guān)輸出高電平。刮板輸送機(jī)運(yùn)行正常時(shí)，霍爾傳感器會(huì)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。如果刮板折斷，霍爾傳感器將會(huì)在較長的一段時(shí)間內(nèi)（大于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖周期）輸出高電平；如果出現(xiàn)斷鏈或者堵轉(zhuǎn)，那么霍爾傳感器會(huì)一直輸出高電平；當(dāng)刮板輸送機(jī)為邊雙鏈，可以安裝兩個(gè)霍爾傳感器，當(dāng)發(fā)生跳鏈時(shí)，兩個(gè)霍爾傳感器輸出的脈沖信號(hào)之間會(huì)有一定的相位差。

另一種鏈條故障診斷方法如圖1-2所示，正常情況下，刮板經(jīng)過鏈輪時(shí)會(huì)帶動(dòng)舌板繞故固定軸擺動(dòng)，舌板正對(duì)霍爾傳感器時(shí)，由于和霍爾傳感器距離較近，輸出低電平；距離較遠(yuǎn)時(shí)，輸出高電平。如果刮板輸送機(jī)運(yùn)行正常，則霍爾傳感器會(huì)輸出標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，如果發(fā)生故障，輸出脈沖信號(hào)的特征與第一種方法相似。

圖1 鏈條故障診斷方法原理

2.2 自動(dòng)伸縮機(jī)尾技術(shù)

自動(dòng)伸縮機(jī)尾技術(shù)原理如圖2所示?？刂破餍枰炔杉伟遢斔蜋C(jī)油缸的壓力，然后控制器將壓力值與設(shè)定值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果通過閥組控制油缸動(dòng)作，從而使機(jī)尾移動(dòng)調(diào)節(jié)鏈條的張緊程度。這其中比較重要的就是如何分別設(shè)定油缸在滿載和空載情況下的壓力值，并且設(shè)定值需要工人按照固定的周期進(jìn)行修正，油缸壓力的實(shí)際值不能超過這個(gè)范圍；同時(shí)油缸壓力的目標(biāo)值也需要參考采煤機(jī)的位置和電動(dòng)機(jī)的電流大小。由于很難確定油缸在滿載和空載狀態(tài)下能夠反映合適張緊程度的壓力值，所以這種自動(dòng)伸縮機(jī)尾的技術(shù)在應(yīng)用時(shí)存在著很大的局限性。而智能張緊控制技術(shù)則可以解決這一問題，這種就技術(shù)將測量鏈條張力的芯片嵌入鏈條內(nèi)部，并將張力信息通過無線傳輸至控制器，然后把推薦張緊力與實(shí)際值進(jìn)行比較，控制刮板輸送機(jī)機(jī)尾的動(dòng)作，從而自動(dòng)控制鏈條的張緊力。

3 變頻調(diào)速軟啟動(dòng)技術(shù)

對(duì)于功率在855 kW以下的刮板輸送機(jī)，為了解決刮板輸送機(jī)在有負(fù)載的情況下啟動(dòng)電流過大的問題，多采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式。但是隨著刮板輸送機(jī)功率的不斷增大，即使采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在重載情況下依然會(huì)有很大的驅(qū)動(dòng)電流對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)造成沖擊，在這種情況下，必須采用軟啟動(dòng)裝置來克服這一問題。常用的軟啟動(dòng)技術(shù)有變頻調(diào)速、CTS（可控啟動(dòng)傳輸裝置），TTT（閥控充液式液力耦合器），其中CTS和TTT技術(shù)雖然能夠解決刮板輸送機(jī)在重載情況下無法啟動(dòng)的問題，但是這兩種技術(shù)對(duì)油質(zhì)和水質(zhì)的要求很高，在井下這種惡劣的環(huán)境下維護(hù)十分困難，并且不具備自動(dòng)調(diào)速的功能。相對(duì)于這兩種方式，變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，并且還能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)速以及電機(jī)的功率平衡，從而有效減少設(shè)備磨損、節(jié)省電費(fèi)、提高使用壽命，維護(hù)方便、成本低[3]。

圖2 自動(dòng)伸縮機(jī)尾原理示意圖

實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng)的方案主有兩個(gè)：一是采用變頻中心控制礦用防爆電機(jī)的方案；二是一體變頻電動(dòng)機(jī)方案。分體式變頻軟啟動(dòng)方案在兗礦集團(tuán)、平煤集團(tuán)和神東集團(tuán)有一定的應(yīng)用，而一體式變頻電動(dòng)機(jī)已經(jīng)有十多套裝備到了神東礦區(qū)。在一體化變頻電動(dòng)機(jī)制造方面，德國走在了前列，突破了原有IGBT的耐壓值，研制出了3 300 V礦用一體化變頻電動(dòng)機(jī)。國內(nèi)也有很多公司積極參與研發(fā)一體化變頻電動(dòng)機(jī)，但核心元件仍然主要依靠進(jìn)口。

變頻調(diào)速軟啟動(dòng)裝置在刮板輸送機(jī)的應(yīng)用過程中，還有兩個(gè)主要問題急需解決：

1）變頻控制系統(tǒng)的研制。電機(jī)在工作的過程中，由于負(fù)載不均勻?qū)е露嗯_(tái)電動(dòng)機(jī)的輸出功率不平衡，這樣會(huì)使部分電動(dòng)機(jī)過載從而損壞甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。而變頻控制系統(tǒng)的作用就是要實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制以及平衡各電機(jī)之間的功率。在控制策略上采用“一主機(jī)兩從機(jī)”的控制策略，從而使各電機(jī)的輸出功率盡量相等。普通電動(dòng)機(jī)只能按照設(shè)定好的固定階梯速度運(yùn)行，無法根據(jù)負(fù)載的變化靈活的調(diào)節(jié)速度，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，也會(huì)以比較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，加大了電費(fèi)開支與設(shè)備磨損。變頻控制系統(tǒng)依據(jù)電流判斷電機(jī)功率的大小，并以此作為依據(jù)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)電機(jī)速度還要與采煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速和帶式輸送機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化。嵌入式控制系統(tǒng)多以ARM、DSP為控制核心，體積較小，在處理較大量的數(shù)據(jù)時(shí)往往速度很慢，并且抗干擾能力不強(qiáng)，所以本文推薦以工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)為核心開發(fā)變頻控制器[4]。

2）諧波干擾抑制技術(shù)。對(duì)于變頻控制器和電動(dòng)機(jī)分離的系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)和變頻控制器之間的動(dòng)力電纜相對(duì)較長，有一些雜散的電容，從而產(chǎn)生了一些容性漏電流，高次諧波激勵(lì)這些漏電流性能衰減振蕩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)因過電壓而損壞；并且這些來自動(dòng)力電纜的電力會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)和供電系統(tǒng)造成干擾。采用一體化設(shè)計(jì)的變頻電動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)和變頻器被統(tǒng)一裝入了隔爆殼體內(nèi)，相互之間的動(dòng)力線很短，從而解決了動(dòng)力線造成的諧波干擾[5]。但是由于電網(wǎng)與變壓器是通過開關(guān)與動(dòng)力電源連接的，所以還是會(huì)對(duì)電網(wǎng)有一定的諧波干擾。目前常用的解決方案有兩個(gè)：一是在電源輸入側(cè)接LC濾波器；二是采用兩臺(tái)移動(dòng)變壓器來供電，并且兩臺(tái)變壓器的相位差為30°。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)重型刮板說送機(jī)成套裝備智能化的關(guān)鍵是能成熟應(yīng)用遠(yuǎn)程工況監(jiān)控技術(shù)、鏈條故障診斷技術(shù)、變頻調(diào)速軟啟動(dòng)技術(shù)、鏈條故障智能診斷技術(shù)、鏈條張力自動(dòng)控制技術(shù)。鏈條故障診斷、鏈條張力自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程工況監(jiān)控技術(shù)綜合了工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)、現(xiàn)場總線、工業(yè)計(jì)算機(jī)、嵌入式、霍爾傳感器等技術(shù)。在變頻調(diào)速技術(shù)方面，國內(nèi)廠商在變頻控制器和一體化變頻電動(dòng)機(jī)的研發(fā)方面需要投入更多的精力，重點(diǎn)解決可靠性、穩(wěn)定性差以及核心元件主要依賴進(jìn)口的問題。同時(shí)重型刮板輸送機(jī)成套裝備智能化進(jìn)程也應(yīng)不斷借鑒其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，提高煤礦自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。