王 歡

（同煤集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

引言

刮板輸送機作為煤炭采掘過程中重要的輸送設(shè)備，其可靠性至關(guān)重要，但是刮板輸送機實際運行過程中出現(xiàn)故障在所難免，尤其是斷鏈故障。為了降低刮板輸送機故障發(fā)生的概率，必須對其常見故障進行監(jiān)測，掌握刮板輸送機的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)刮板輸送機故障，采用切實有效的防控技術(shù)進行處理，以便降低刮板輸送機故障修復時間，提高刮板輸送機的設(shè)備利用率[1-3]。

1 刮板輸送機斷鏈故障監(jiān)測要求

刮板輸送機斷鏈故障監(jiān)測需要在設(shè)備原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上嵌入一套監(jiān)測系統(tǒng)方可完成，其具體的設(shè)計要求有六點，第一是系統(tǒng)必須保證運行的安全性，基于此要求系統(tǒng)的硬件選型需要考慮防爆性能；第二是系統(tǒng)需要具備兩種操作模式，即手動和自動，能夠根據(jù)需要進行切換，其中手動模式用于完成監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試，進入正常運行時啟動自動模式；第三是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)刮板輸送機斷鏈故障的預警、報警和故障定位功能；第四是監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場和遠程監(jiān)控操作界面，具備監(jiān)測和顯示刮板輸送機刮板鏈運行參數(shù)的功能；第五是系統(tǒng)能夠?qū)噫湀缶瘮?shù)據(jù)進行實時顯示，及時完成數(shù)據(jù)的存儲；第六是系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，上位機和下位機之間能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信。

2 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 硬件方案

刮板輸送機斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)運用以控制器為核心的數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，具有很好的通用性、適應(yīng)性。系統(tǒng)中使用了10 個防爆型刮板偏移監(jiān)測傳感器，布置于刮板輸送機機頭、機尾中部槽位置，其中機頭位置安裝3 組，每組2 個偏移監(jiān)測傳感器，機尾位置安裝2 組，每組2 個偏移監(jiān)測傳感器。系統(tǒng)中配置2 個斷點定位傳感器，安裝時考慮了防水、防爆等要求，配套金屬鑄鋁盒體對其進行防撞擊保護。監(jiān)測系統(tǒng)的外圍設(shè)備是刮板輸送機的電機變頻器，用于監(jiān)測電機的實時電流和刮板鏈轉(zhuǎn)速。采用觸摸屏作為現(xiàn)場監(jiān)控的上位機，與控制器一同安裝于現(xiàn)場控制柜內(nèi)，遠程監(jiān)控采用工控機安裝于地面集控中心。系統(tǒng)具體的硬件布局如圖1 所示。

2.2 軟件方案

刮板輸送機刮板鏈故障監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計包括控制器程序、現(xiàn)場和遠程監(jiān)控界面兩方面的工作。其中的控制器程序設(shè)計工作涉及控制器編程軟件的選擇、相關(guān)主程序和子程序的編制等，現(xiàn)場和遠程監(jiān)控界面設(shè)計工作涉及組態(tài)軟件的選擇、監(jiān)測界面的設(shè)計、通訊技術(shù)等。具體故障監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

3 系統(tǒng)詳細設(shè)計

圖2 刮板輸送機刮板鏈故障監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 硬件選型

刮板輸送機刮板鏈的偏移距離是斷鏈故障監(jiān)測的重要指標參數(shù)，主要采用電感式接近開關(guān)傳感器實現(xiàn)。結(jié)合刮板輸送機實際運行環(huán)境，選用施耐德XS1N30PA349 電感式接近開關(guān)，監(jiān)測信號經(jīng)過控制器運算即可得到刮板的偏移距。監(jiān)測系統(tǒng)要求刮板鏈斷鏈時能夠迅速定位斷鏈故障位置并顯示在上位機上，基于此選擇了圖爾克標準組建式視頻識別系統(tǒng)傳感器，主要包括型號為TB-M18-H1147 的讀寫頭、型號為TW-R7.5-B128 的載碼體和型號為TI-BL67-GW-DPV1-8 的信號轉(zhuǎn)接器。

控制器選型要求可靠性高、抗干擾性強、程序編制簡單、使用方便，選用西門子S7-1200CPU1214CAC/DC/ 繼電器可編程控制器作為監(jiān)測系統(tǒng)核心控制器。MCGS 觸摸屏應(yīng)用較為廣泛，此處選擇型號為TpC7062K 觸摸屏作為刮板輸送機斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場上位機，用于對刮板鏈運行狀態(tài)的實時顯示。采用型號為IPC-610H 的工控機作為監(jiān)測系統(tǒng)的遠程上位機。

3.1.2 通信技術(shù)

刮板輸送機斷鏈監(jiān)測系統(tǒng)硬件通信主要涉及PLC 與觸摸屏、電感式接近開關(guān)、射頻識別系統(tǒng)、電機變頻器和工控機之間的數(shù)據(jù)傳輸。總體來講監(jiān)測系統(tǒng)通信涉及到井下監(jiān)測系統(tǒng)通信、監(jiān)控系統(tǒng)與地面通信兩部分，監(jiān)測系統(tǒng)通信總方案如圖3 所示。其中井下監(jiān)測系統(tǒng)通信涉及現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)的交互傳輸、控制指令的接收，系統(tǒng)設(shè)計使用了成熟的總線技術(shù)，實現(xiàn)各個系統(tǒng)設(shè)備之間的通信。PLC 與觸摸屏、PLC 與射頻識別系統(tǒng)之間的通信采用Profibus協(xié)議借助工業(yè)以太網(wǎng)進行連接，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。PLC 與電機變頻器之間的通信，采用Modbus 協(xié)議借助485 通訊模塊實現(xiàn)。井下監(jiān)測系統(tǒng)與地面的通信是將以太網(wǎng)通訊模塊接入了井下環(huán)網(wǎng)，通過Profibus 協(xié)議實現(xiàn)地面交換機和工控機之間的通信，進而實現(xiàn)刮板輸送機刮板鏈運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)的歸檔處理。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)通信總方案

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)主程序

監(jiān)測系統(tǒng)主程序是整個系統(tǒng)正常運行的基本保障，其包含了整個斷鏈監(jiān)測的全過程，如圖4 所示給出了主程序的流程圖。由圖4 可得，監(jiān)測系統(tǒng)包括初始化、運行速度、電流控制、刮板偏移距離控制、定位故障點指示、報警等功能。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

3.2.2 運行速度讀取程序

科學技術(shù)的發(fā)展使變頻器在煤炭企業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，推動了刮板輸送機的改造升級進度，尤其是礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器的引入實現(xiàn)了刮板輸送機工作速度的任意調(diào)整。變頻器的使用降低了刮板輸送機在開啟和停止時的沖擊強度，有利于延長刮板輸送機的使用壽命。程序編寫過程中對安裝在刮板輸送機中的三個電機變頻器采用RS-485總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 中，通過運算將結(jié)果輸出。

3.2.3 刮板偏移控制程序

刮板偏移距離監(jiān)測主要由分布在輸送機中部槽水平對稱分布的5 組傳感器完成，PLC 能夠?qū)崟r記錄刮板兩端運行速度和時間差，計算得出刮板的偏移量。當監(jiān)測得到的偏移距離小于設(shè)定值時，刮板輸送機刮板鏈工作正常，當監(jiān)測得到了的偏移量超過設(shè)定值時，監(jiān)測系統(tǒng)將會發(fā)出預警，當預警次數(shù)超過3 次時，監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出停機指令，刮板輸送機停止運行。

3.2.4 斷鏈點定位程序

斷鏈點定位程序是在系統(tǒng)監(jiān)測得到斷鏈預警之后由PLC 運算得出預警點的刮板編號，并且能夠?qū)⑵滹@示在人機交互界面以便檢修人員對斷鏈故障進行排查修理。安裝有載碼體的基準刮板作為識別刮板編號的起點，每個周期記錄一次刮板鏈的運行速度，當監(jiān)測系統(tǒng)得到斷鏈故障信息時，由PLC 運用基準刮板和斷鏈故障點之間的時間與平均速度計算得出刮板編號，并顯示在人機交互界面。

3.2.5 界面設(shè)計

界面作為刮板輸送機監(jiān)測系統(tǒng)人機交互功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，其主要涉及主界面、電機電流界面、刮板鏈速界面、刮板偏移界面、參數(shù)設(shè)置界面和報警顯示界面等六個模塊，并且能夠根據(jù)實際需求進行切換，進而實現(xiàn)刮板輸送機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。界面設(shè)計基于MCGS 嵌入版組態(tài)軟件完成，其主界面如圖5 所示，能夠顯示5 組電感式接近開關(guān)運行狀態(tài)、斷鏈故障點編號、各個電機電流等實時監(jiān)測參數(shù)。

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證刮板輸送機斷鏈故障監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計效果，將其應(yīng)用于某煤礦企業(yè)在用刮板輸送機并進行了為期半年的跟蹤記錄。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，試運行期間成功監(jiān)測出6 次刮板鏈斷鏈故障，及時發(fā)出了報警信息，指出了斷鏈點的位置，避免了斷鏈故障影響的進一步擴大。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計，該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提高近15%的刮板輸送機斷鏈故障修復效率，節(jié)省故障排除的人員成本近60 萬/a，提高了刮板輸送機利用率近10%，為企業(yè)產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約200 萬/a，取得了很好的應(yīng)用效果。

圖5 系統(tǒng)主界面