楊士偉

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

引言

刮板輸送機是礦井開采煤炭生產(chǎn)過程中的運輸設(shè)備，具有運輸距離長、運載量大、可連續(xù)工作等技術(shù)優(yōu)點，該機械設(shè)備的可靠性、安全性關(guān)系到了煤炭開采的生產(chǎn)效率。礦井內(nèi)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，容易對刮板輸送機的各個零部件造成磨損甚至破壞。尤其是鏈條部件如果出現(xiàn)斷鏈的故障，將使得整個開采過程停止，甚至?xí)?dǎo)致作業(yè)人員出現(xiàn)傷亡。目前大多數(shù)研究都是針對于刮板鏈條前期設(shè)計方面的力學(xué)分析，在對鏈條故障進行監(jiān)測方面的研究較少[1]。該方面將是煤礦本質(zhì)安全管理的重要課題，有必要設(shè)計出刮板輸送機斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時有效地監(jiān)測斷鏈故障。該系統(tǒng)能夠有效地指導(dǎo)技術(shù)人員處置斷鏈故障，提高對礦井設(shè)備的管理水平，為礦井智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)提供了依據(jù)。

1 斷鏈故障分析

刮板輸送機是一種連續(xù)運輸?shù)臋C械設(shè)備，是通過電動機的牽引實現(xiàn)鏈條結(jié)構(gòu)撓性運動的運輸設(shè)備。刮板輸送機主要分為機頭、機尾、中間及相關(guān)附屬機構(gòu)等組成，主要的機械構(gòu)件包括電機、機頭架、中部槽、刮板、鏈條、過度槽等，以SGZ1000/2100型刮板輸送機為研究對象，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SGZ1000/2100型刮板輸送機整體結(jié)構(gòu)示意圖

該型號刮板輸送機的運載能力為2 700 t/h、總功率為3×700 kW、鏈條連接方式為3個M30螺栓、電動機額定功率為700 kW。刮板鏈條的類型主要分為中單、邊雙和中雙鏈條三種類型[2]，由于中雙鏈條型的刮板輸送機在承載運輸煤炭物料時的性能更好，常在煤礦企業(yè)廣泛使用。為了獲取鏈條斷裂時的模擬信號，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)測到輸送機在運行時是否有異響，機頭和機尾電動機的電流差值是否過大，刮板鏈條是否存在異常的振動以及卡鏈的情況。

2 斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)組成

監(jiān)測系統(tǒng)要實現(xiàn)其監(jiān)測的功能，應(yīng)集合硬件和軟件兩大部分，并且兩個部分都應(yīng)相互兼容。同時硬件應(yīng)是防水、防潮、防爆的本質(zhì)安全型設(shè)備，根據(jù)刮板輸送機偏移位置量以及鏈條應(yīng)力最大點的位置，布置12個傳感器監(jiān)測點，其中10個安裝于鏈條位移偏移量較大位置，另外2個安裝于容易發(fā)生斷鏈的地方[3]。監(jiān)測軟件集合工控機、上位機、變頻器等電氣設(shè)備并集中安裝于現(xiàn)場控制柜內(nèi)，硬件布局圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件布置示意圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件的設(shè)計

3.1 傳感器的選型

監(jiān)測系統(tǒng)的功能依靠各類傳感器來實現(xiàn)，每個傳感器是通過RS-485現(xiàn)場總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享傳輸[4]，并且每個數(shù)據(jù)都能在各個變頻器上直接讀取。傳感器中最關(guān)鍵的為接近開關(guān)傳感器，當(dāng)鏈條通過傳輸接近某個傳感器時，將發(fā)生觸碰效應(yīng)。選取施耐德XS1N30PA349接近開關(guān)傳感器布置在監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部，該型號傳感器的測量距離為20 mm、接線方式為PNP。在該類型傳感器的附近同時設(shè)置五組齊平布置的傳感器，每個間距為912 mm[5]。同時選取圖爾克TB-M18-H1147型號的定位傳感器，結(jié)合惡劣的綜采工作面環(huán)境，采用比繼電器更適應(yīng)礦井工作的PLC作為中央控制器。工作人員觀察使用的上位機觸摸屏選用MCGS-Tpc7062K，能夠滿足數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)測等功能。

3.2 硬件通訊技術(shù)

硬件之間的通信主要實現(xiàn)井下監(jiān)測系統(tǒng)與通信和井下與地面的通信。通訊技術(shù)基于Profibus協(xié)議與Modbus協(xié)議，根據(jù)開采方向不斷調(diào)整通訊的方案。將PLC觸摸屏、接近開關(guān)傳感器、射頻系統(tǒng)、工控機等重要部件的數(shù)據(jù)進行傳輸[6]，如圖3為監(jiān)測系統(tǒng)的總方案設(shè)計圖。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)通信總方案設(shè)計圖

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控組態(tài)設(shè)計及監(jiān)測驗證

4.1 上位機監(jiān)控功能

上位機監(jiān)控功能主要包括顯示功能、操作功能、報警功能等三大部分模塊。其中最關(guān)鍵的是報警功能，該功能能夠根據(jù)刮板鏈條的運行狀態(tài)，及時生成報警信息以及相關(guān)參數(shù)報表。但是三大功能的實現(xiàn)均離不開以下工作步驟：一是在MCGS組態(tài)軟件中新設(shè)立監(jiān)控程序；二是創(chuàng)建組態(tài)界面；三是對各個硬件重新編寫定義；四是儲存數(shù)據(jù)庫并形成區(qū)塊查閱功能。

4.2 界面組態(tài)設(shè)計

監(jiān)控界面的設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)人機交互的可拓展性，西門子S7-1200PLC硬件的驅(qū)動程序配合MCGS觸摸屏，滿足技術(shù)人員對數(shù)據(jù)進行實時采集并且遠(yuǎn)程操作關(guān)鍵工序。其中最關(guān)鍵的是刮板輸送機的監(jiān)測主界面，能夠顯示五組開關(guān)傳感器運行信息，并且對鏈條的每個節(jié)點重新編號，便于技術(shù)人員查找故障點。完成主界面的設(shè)置后，還應(yīng)對電機電流界面、刮板鏈條速度界面、刮板鏈條偏移界面、記錄參數(shù)設(shè)置界面、報警顯示界面進行組態(tài)設(shè)計，主界面的監(jiān)測示意圖如圖4所示。

圖4 刮板鏈條的主界面監(jiān)測圖

4.3 工程實驗的監(jiān)測驗證

為了確保刮板鏈條的斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)能夠在工程應(yīng)用中起到實際效果。按照實際工況條件設(shè)置相符的模擬實驗平臺，對鏈條的運行狀態(tài)與顯示器上的數(shù)據(jù)進行對比，判斷監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能。安裝實驗平臺時，應(yīng)該檢查PLC、傳感器、觸摸屏等關(guān)鍵部件之間的數(shù)據(jù)傳輸是否正確，數(shù)據(jù)的傳輸位數(shù)應(yīng)統(tǒng)一設(shè)置為64位，并重新通過手動模式初始化系統(tǒng)，檢測機頭、機尾的電流值是否正常。

監(jiān)測系統(tǒng)的測試片——斷鏈測試扁鐵安裝于實驗臺中鏈條容易斷的刮板位置，設(shè)置變頻器頻率為5 Hz、10 Hz、15 Hz和20 Hz啟動實驗臺測試刮板斷鏈點位置，當(dāng)斷鏈實驗臺啟動變頻器頻率為5 Hz和10 Hz時斷鏈點定位結(jié)果準(zhǔn)確，當(dāng)斷鏈監(jiān)測實驗臺啟動變頻器頻率為15 Hz、20 Hz和25 Hz時斷鏈點定位產(chǎn)生誤差。

同時結(jié)合兩端電機電流差值的判斷方法，在參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置電機電流差0.5 A，開啟斷鏈監(jiān)測實驗臺，當(dāng)電機電流差0.5 A時，監(jiān)測系統(tǒng)沒有預(yù)警，人為給刮板輸送機運行阻力并保持到實驗臺停機為止，如下頁圖5所示，當(dāng)電機電流差0.5 A，經(jīng)過10 s后監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警，當(dāng)阻力維持時間超過30 s監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出停機指令，實驗證明設(shè)計的刮板輸送機機頭機尾電流差監(jiān)測手段能夠監(jiān)測到刮板輸送機斷鏈故障。

圖5 刮板鏈條電流差監(jiān)測示意圖

5 結(jié)語

由于礦井惡劣的工作環(huán)境，刮板輸送機的關(guān)鍵零部件——刮板鏈條容易受到磨損甚至產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了煤礦開采生產(chǎn)的連續(xù)性，甚至對工作人員造成生命健康威脅。通過設(shè)計刮板鏈條的斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時對鏈條的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并且采用變頻器頻率檢測與電流差值檢測的方法，實現(xiàn)了對刮板輸送機鏈條故障的監(jiān)測判斷，有效地提高了刮板輸送機本質(zhì)安全性能。