煤矿刮板输送机断链监测系统设计及应用研究

魏圣彦

（山西焦煤霍州煤电吕临能化公司庞庞塔煤矿，山西 吕梁 033200）

刮板输送机是煤矿开采工作面中的重要机电装备，作用是将采煤机开采获得的煤矿物料输送到破碎机或带式输送机中。工作面的运行环境比较复杂，且刮板输送机需要连续运行，刮板链特别容易出现故障，严重时会出现断链的情况[1-2]。一旦刮板输送机出现断链问题，轻者对煤矿连续生产造成影响，重则引发设备、人员安全事故，造成严重后果[3]。本文结合实际情况，设计研究了断链监测系统，将其部署到工程实践中。

1 刮板输送机概述

刮板输送机是煤矿开采工作面中非常关键和重要的运输装备，如图1 所示为典型刮板输送机的主要结构示意图。刮板输送机主要由机头和机尾链轮、刮板链以及上下溜槽等机械结构构成。工作时由电机输出的动力，经减速器后输入到驱动链轮中，驱动链轮与圆环链间通过啮合的方式进行动力传输，进而驱动整个刮板链作循环往复运动，实现煤矿物料的运输[4]。本文主要以煤矿中经常使用的SGZ1000/2100 型刮板输送机为对象进行研究。该设备同时由三台电机驱动，每台电机的功率为700 W，刮板链的最大运行速度为1.41 m/s，可达到的最大运输能力为2700 t/h。刮板输送机链条系统特别容易出现故障，链条系统故障率占整个刮板输送机故障率的50%以上，所以需要研究断链监测系统，对刮板输送机的链条系统进行实时监测，以便及时发现并解决问题，提升设备运行稳定性。

图1 刮板输送机的主要结构示意图

2 断链检测方法及监测系统整体方案

2.1 断链检测方法

（1）基于刮板偏移的监测方法。当刮板输送机出现断链故障时，刮板偏离原来的与运行方向垂直的关系，而是与前进方向呈现一定的角度，如图2 所示为刮板链断链状态示意图。可以在输送机同一位置的两侧安装一组传感器，一旦刮板链两侧通过该位置的时间差达到一定程度，意味着刮板发生了偏移，刮板链出现了断链问题。

图2 刮板链断链状态示意图

（2）基于机头机尾电机电流差的监测方法。正常情况下，在控制系统的作用下，刮板输送机机头和机尾部位的电机电流能够保持平衡状态，两者之间的差值不会很大。当出现断链故障时，会导致设备出现卡壳现象，此时机头和机尾部位的电机电流会出现明显的差异。基于传感器对电机电流进行检测即可判断刮板链是否存在断链问题。

（3）断链定位方法。在刮板输送机中设置一个基准刮板，同时在一个固定位置设置定位传感器。定位传感器可以记录基准刮板通过该位置时的时间t1，再记录出现断链的刮板通过该位置时的时间t2。两个时间的差值，再结合刮板链的运行速度，可判断出现断链的具体位置。

2.2 整体方案设计

如图3 所示为刮板输送机的断链监测系统整体方案示意图。由图可知，共设置了五组传感器组对刮板输送机的断链情况进行监测，其中机头三组、机尾两组，每组有两个传感器，共使用了十个传感器。利用变频器可以对三部电机的运行电流值进行监测。在机头链轮上盖板部位安装两个断链点定位传感器。所有监测获得的数据信息传输到控制器中进行分析与处理，控制器与触摸屏进行连接，可以实现人机交互。集控室设置在矿井的地面，通过工业以太网实现与控制器之间的连接。控制器采集并分析的数据传入到工控机中，并在监测大屏上实时显示刮板输送机链条系统的运行状态。

图3 断链监测系统整体方案设计

3 断链监测系统主要硬件和软件设计

3.1 主要硬件选型设计

（1）控制器。对于断链监测系统而言，控制器是非常重要的硬件设施，其性能好坏会对整个监测系统运行的可靠性与稳定性产生直接影响。结合实际情况，系统中选用的是西门子公司研制生产的S7-1200 型PLC 控制器。控制器基于RS-485 模块实现与各传感器之间的连接，基于工业以太网模块实现与上位机之间的连接[5]。

（2）传感器。监测系统中需要使用两种类型的传感器，分别是接近开关传感器和定位传感器，作用分别是对刮板的偏移状态和断链位置进行检测。前者选用的型号XS1 N30PA349，后者选用的型号为TB-M18-H1147。考虑到矿井复杂的工作环境，选用的各项硬件设施均属于本质安全型设备，具有良好的防爆功能。

3.2 系统软件设计

监测系统的软件程序采用模块化思想进行设计，即设计一个主程序和多个子程序，主程序运行时只需要对各个子程序进行调取运行即可[6]。涉及的子程序包括初始化子程序、速度和电流读取子程序、刮板偏移控制算法子程序、断链点定位算法子程序等。如图4 所示为监测系统的主程序工作流程图。由图可知，监测系统上电运行后，首先需要对各项硬件设施进行初始化处理，然后对刮板链的速度进行读取。在确保速度满足要求后，开始对电机电流以及刮板的偏移情况进行检测。如果存在异常情况，还需要对故障点进行定位，同时将相关结果在屏幕上进行显示。当报警次数达到一定程度后，需要对刮板输送机进行停机处理，以保障设备的运行安全。

图4 监测系统的主程序工作流程图

4 断链监测系统应用效果分析

为了对设计的刮板输送机断链监测系统的性能进行检验，将系统部署到煤矿工程实践中，并对其运行效果进行连续三个月时间的现场测验。结果发现，监测系统具有良好的运行稳定性，整个测验期间没有出现明显的故障问题。监测系统的成功实践应用，可以对刮板输送机的链条系统运行状态进行实时监测，当出现故障或安全隐患时，系统可以向外发出故障报警信号。经初步统计分析认为，系统的应用可以减少刮板输送机运行维护人员2～3 名，出现故障时的故障排除时间与前期相比缩短了15%左右，显著提升了设备运行过程的稳定性和可靠性，为煤矿企业创造了良好的经济效益和安全效益。

5 结论

以SGZ1000/2100 型刮板输送机为对象，对断链监测系统进行了设计，并将其应用到工程实践中。系统主要基于刮板偏移方法和机头机尾电机电流差值法来监测刮板链的故障问题，并利用定位传感器确定断链具体位置。矿井地面设置有集控中心，可以通过监测大屏实时显示刮板输送机链条系统的运行状态，出现故障问题时会及时向外发出警报。软件程序方面，采用模块化思想进行设计，既方便程序编写也方便后续程序维护。