刮板输送机断链监测系统设计

任保明

（南煤集团南庄公司， 山西 阳泉 045000）

引言

刮板输送机与采煤机、液压支架并称为综采工作面的“三机”，其不仅承担工作面的运输任务，而且为采煤机行走提供轨道，为液压支架推溜提供支撑和支点。在实际生产中，刮板输送机电机、液力耦合器、减速器及刮板链经常出现故障，从而影响整机的运输性能和生产效率。本文针对刮板输送机刮板链断裂故障开展研究，传统刮板输送机断链保护装置在实际应用中存在故障发现太晚的问题，容易扩大故障范围[1]。因此，本文将设计一款刮板输送机断链监测系统，以实现对刮板输送机运行状态监测和断链故障的预测。

1 刮板输送机断链故障分析与方案设计

本节重点对刮板输送机断链故障进行分析，并完成断链监测系统总体方案的设计。

1.1 刮板输送机断链故障分析

刮板输送机是综采工作面的主要运输设备，典型刮板输送机的结构如图1 所示。

图1 典型刮板输送机结构示意图

统计表明，刮板输送机链条故障主要表现在链条、接链环、刮板和链轮四个位置。总的来讲，刮板输送链条故障占据其所有故障的51%，其中，链条、接链环、刮板及链轮的故障分别占21.1%、4.4%、8.8%和16.7%[2]。经验表明，导致刮板输送机链条频繁出现故障的主要原因包括刮板输送机刮板链本身的疲劳磨损、工作面顶板矸石对刮板链条的冲击、刮板螺栓出现断裂、张紧故障导致链条断裂等。

1.2 断链监测系统总体设计

为保证断链监测系统能够准确对刮板输送机的链条运行状态和故障信息进行准确判断，要求断链监测系统在通用性、操作性及可靠性等方面满足《煤炭安全规程》的相关标准和规范要求。具体需满足如下要求：

1）监测系统的硬件选型必须满足防爆要求，确保其符合《煤炭安全规程》的安全性要求；

2）断链监测系统可在自动和手动两种模式下运行，其中手动模式主要是对系统进行调试和维护，一般正常监测功能的实现为自动运行模式；

3）断链监测系统可对断链故障进行预测、报警和定位；

4）断链监测系统具有远程监控功能，基于数据传输通信将链条的运行状态和故障信息上传至上位机[3]。

刮板输送机断链监测系统的两大功能为：其一对断链故障进行准确预测并监测；其二对故障点进行定位，为后续系统维护奠定扎实的基础。针对刮板输送机断链故障的判断，可采用刮板偏移距离监测方法（主要监测）和机头机尾电机电流监测方法（辅助监测）；采用断链点定位监测方法对断链故障的发生位置进行确定。

基于上述两大监测方法和故障定位方法，设计如图2 所示的刮板输送机断链监测系统。

如图2 所示，刮板输送机断链监测系统由集控室、控制柜和现场设备层组成，其中集控室为上位机，主要对刮板输送机链条运行状态和故障位置点进行显示并存储；控制柜为对刮板输送机链条运行状态采集数据进行处理的核心，并通过触摸屏完成相关控制指令的输入；设备层主要包括在刮板输送机现场配置的断链点定位传感器、机头传感器和机尾传感器等元器件。

图2 刮板输送机断链监测系统总体方案

2 刮板输送机断链监测系统的设计

本节主要完成刮板输送机断链监测系统的硬件和软件设计。

2.1 硬件设计

刮板输送机断链监测系统的硬件主要包括设备层的各类传感器、控制柜中的控制器和触摸屏，以及集控室中工控机。

2.1.1 传感器的选型

基于刮板偏移距离监测方法是判断链条是否断裂的关键，该项功能实现的核心举措为：在刮板输送机机头和机尾两个位置分别对称安装电感式接近开关传感器，以对刮板的偏移距离进行监测[4]。结合JOYSGZ1000/2100 刮板输送机的结构，本系统配置型号为XS1N30PA349 电感式接近开关，该型传感器在刮板输送机的安装情况如图3 所示。

图3 电感式接近开关安装示意图

对断链故障点的准确定位是断链监测系统的主要功能之一，为保证定位功能的实现，本系统采用图尔克标准组建式射频识别系统为其定位传感器，该传感器包括读写头、载码体及信号转接器，各个部件的选型结果如表1 所示。

表1 定位传感器各部件选型结果

2.1.2 控制器的选型

控制器为对所采集数据进行分析处理的核心，目前工业中常用且性价比较高的控制器为PLC 控制器，本系统将采用S7-1200 PLC 控制器，与该控制器相配套的其他模块如表2 所示。

表2 与S7-1200PLC 控制器配套的其他模块

2.1.3 其他硬件的选型

除了上述传感器和控制器以外，触摸屏、工控机和组态软件为该监测系统的核心硬件。其他硬件选型

结果如表3 所示。

表3 其他硬件选型

2.2 软件设计

在上述硬件作为支撑的基础上，需要合理、可靠的软件流程保证断链监测系统功能的实现。总的来讲，断链监测系统在主程序下包括系统初始化子程序、速度电流读取子程序、电流控制算法子程序、刮板偏移控制算法子程序、断链点定位控制算法子程序、上位机参数子程序和手动程序[5]。

结合刮板输送机断链监测系统的功能实现，其对应的主程序流程如图4 所示。

图4 断链监测系统主程序流程图

3 断链监测系统可行性验证

鉴于综采工作面环境恶劣且在现场调试的难度较大。因此，在实验室搭建平台对所设计的断链监测系统的可行性进行验证。所搭建的实验室验证平台如下页图5 所示。

图5 断链监测系统实验室验证平台

本文所设计的断链监测系统根据对刮板链的偏移距离进行监测，从而判断其是否发生断链故障。因此，对偏移距离的准确监测是保证准确报警的关键。故本次试验对刮板不同偏移距离的误差进行测试，测试结果如表4 所示。

表4 断链监测系统监测精度

4 结语

刮板输送机为综采工作面的主要运输系统，其不仅承担运输任务，还为液压支架推溜提供支点，为采煤机行走提供轨道。为解决传统刮板输送机断链监测系统响应速度慢、滞后性能严重导致故障进一步扩大的问题，本文基于PLC 控制器完成刮板输送机断链监测系统的设计，主要监测依据为对电机电流和刮板偏移距离进行监测的基础上判定是否出现断链故障，并根据判定结果对故障点进行定位。