煤礦井下刮板輸送機(jī)運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研究

楊海虹

（汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 介休 032000）

0 引言

刮板輸送機(jī)是煤礦常用運輸設(shè)備，在煤礦井下應(yīng)用較為廣泛，但是刮板運行監(jiān)測技術(shù)仍較為單一且方法落后，甚至部分煤礦仍通過工人經(jīng)驗判定刮板輸送機(jī)運行參數(shù)，無法給刮板輸送機(jī)高效運行提供可靠保障[1-3]。部分煤礦雖然引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測技術(shù)等，但是受到煤礦井下空間狹小、設(shè)備繁多等因素影響，布線較為困難且容易導(dǎo)致線纜破損、通信中斷等問題[4]。為此，將工業(yè)以太網(wǎng)通信、無線傳感器監(jiān)測以及現(xiàn)場總線技術(shù)等融合，在充分發(fā)揮各通信技術(shù)優(yōu)勢基礎(chǔ)上，構(gòu)建具備遠(yuǎn)程智能監(jiān)控、故障預(yù)警以及運行記錄查詢功能的刮板輸送機(jī)運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，以期提高刮板輸送機(jī)運行參數(shù)監(jiān)測能力并提升刮板輸送機(jī)運行可靠性。

1 運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計思路

對刮板輸送機(jī)運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測時，依靠井下以太網(wǎng)作為主要通信網(wǎng)絡(luò)，避免某一通信階段出現(xiàn)故障時引起整個通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)癱瘓；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點接入到以太網(wǎng)并將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控中心服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)處理、分析及顯示；地面監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至井下，并經(jīng)總線控制器傳輸至現(xiàn)場總線系統(tǒng)，實現(xiàn)刮板輸送機(jī)運行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，具體構(gòu)建的刮板輸送機(jī)運行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示[5-6]。

圖1 刮板輸送機(jī)運行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 通信系統(tǒng)

2.1.1 工業(yè)以太網(wǎng)

煤礦工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)保包括地面及井下兩部分，為增強(qiáng)工業(yè)以太網(wǎng)通信能力及可靠性，地面及井下工業(yè)以太網(wǎng)均設(shè)計為環(huán)形。井下工業(yè)以太網(wǎng)主要用以連接總線控制系統(tǒng)、無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)，主要任務(wù)是實現(xiàn)井下數(shù)字化信息與地面以太網(wǎng)信息進(jìn)行交互。地面以太網(wǎng)接收到井下以太網(wǎng)信息后，并將信息傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器，服務(wù)器對接收到的信息進(jìn)行處理、分析、存儲及顯示[7]。

2.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)用以實現(xiàn)刮板輸送機(jī)裝置運行控制，主要包括有軟啟動、停車、減速、灑水及報警等。刮板輸送機(jī)軟啟動依靠變頻器實現(xiàn)，通過變頻器可降低啟動帶來的電氣及機(jī)械沖擊，在刮板輸送機(jī)軟啟動時調(diào)節(jié)灑水流量，提升水利用效率。同時現(xiàn)場總線依靠控制器實現(xiàn)刮板輸送機(jī)減速、停車等控制。

2.1.3 無線通信模塊

在采面使用的無線通信應(yīng)能滿足井下惡劣、復(fù)雜環(huán)境需要，具備有傳輸效率高、抗干擾能力強(qiáng)、不出現(xiàn)電線折斷以及便于安裝等優(yōu)勢。依據(jù)井下情況，無線通信收發(fā)芯片均采用Microchip 生產(chǎn)的TRF6901、AT53S71 微控器，工作頻率為427.53 MHz/428.16 MHz，選用的收發(fā)芯片具備有單價低、功率大、外界零件少、使用性強(qiáng)等特點。為確保設(shè)備連接可靠性，采用MAX565 接口芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及傳輸

2.2.1 無線傳感器

采用的無線傳感器本身就具備有自組織及多跳特性，可充分利用無線傳感器特性并經(jīng)匯聚節(jié)點接入至井下以太網(wǎng)環(huán)境，降低采面布線工作量及難度并實現(xiàn)刮板輸送機(jī)全方位監(jiān)測。具體選用的各傳感器類型及功能為[8]：

1）氣敏傳感器。該傳感器主要用以監(jiān)測刮板輸送機(jī)周邊氣體成分、濃度，如實現(xiàn)瓦斯、CO 等氣體監(jiān)測，避免有害氣體超標(biāo)引起安全事故。

2）超聲波傳感器。選用的超聲波傳感器主要通過超聲波實現(xiàn)鏈條、刮板等損傷探測，及時發(fā)現(xiàn)鏈條及刮板潛在損傷，避免出現(xiàn)斷裂事故，提高運行保證能力。

3）測速傳感器。選用的測速傳感器用以監(jiān)測電機(jī)、鏈板速度，通過電機(jī)、鏈板速度對比判定刮板輸送機(jī)動力、傳動部分是否出現(xiàn)故障。

4）壓力傳感器。選用的壓力傳感器對鏈條作用到溜槽上壓力進(jìn)行測定，通過壓力測定判定是否出現(xiàn)超載問題，同時可避免刮板輸送機(jī)過載、電機(jī)過載等問題。

5）溫度傳感器。選用的溫度傳感器用以實現(xiàn)刮板輸送機(jī)電機(jī)溫度、周邊溫度等監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度異常時采用減速或者停車方式，避免異常高溫持續(xù)。

2.2.2 驅(qū)動裝置監(jiān)測

刮板輸送機(jī)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示，置于機(jī)頭及機(jī)尾處驅(qū)動電機(jī)經(jīng)液力偶合器、減速器等帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動刮板鏈循環(huán)移動，將刮板輸送機(jī)溜槽煤炭運至機(jī)頭位置實現(xiàn)轉(zhuǎn)載、外運。刮板輸送機(jī)運行期間，若驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障則會直接原煤運輸，常見的驅(qū)動裝置故障類型包括有啟動電機(jī)運行異常、軸承或者齒輪等嚴(yán)重磨損、減速器潤滑效果差等。

圖2 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測內(nèi)容包括有電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、機(jī)體內(nèi)溫度等；減速器輸入、輸出軸溫度、減速器內(nèi)液壓油溫、油量等；冷卻液溫度、流量等。

構(gòu)建的驅(qū)動裝置監(jiān)測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)模塊包括有A/D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊、上位機(jī)顯示模塊、無線通信模塊、單片機(jī)以及本安電源等。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是刮板輸送機(jī)運行參數(shù)監(jiān)測的重要組成單元，監(jiān)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性會給監(jiān)測系統(tǒng)性能產(chǎn)生直接影響。數(shù)據(jù)采集模塊主要結(jié)構(gòu)組成包括有傳感器、A/D轉(zhuǎn)化器、單片機(jī)（型號STC11F60XE）、信號調(diào)理器等構(gòu)成。采用傳感器均具備無線通信功能，類型包括有流量、溫度、電流及液位等，選用的傳感器均為本安防爆型。傳感器主要功能是監(jiān)測刮板輸送機(jī)運行參數(shù)并經(jīng)相關(guān)電路處理后將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后暫時存儲在單片機(jī)緩沖區(qū)，等待信號傳輸，具體數(shù)據(jù)采集流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

3 現(xiàn)場測試分析

將上文所述刮板輸送機(jī)運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到山西某礦1305 綜采工作面刮板輸送機(jī)運行監(jiān)測中。采面使用的刮板輸送機(jī)類型為SGB620/40T，額定運輸能力150 t/h，采面內(nèi)鋪設(shè)長度為100 m，鏈條運行速度0.86 m/s，裝機(jī)功率為40 kW，刮板鏈破斷力為850 kN，通過水冷方式為減速器降溫?，F(xiàn)場應(yīng)用后監(jiān)測系統(tǒng)、現(xiàn)場人工測定獲取得到刮板輸送機(jī)運行參數(shù)見表1。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)及現(xiàn)場人工監(jiān)測結(jié)果

通過對比表1 數(shù)據(jù)得知，監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)結(jié)果相近，偏差較小，表明現(xiàn)場采用的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度較高、通信系統(tǒng)可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)高精度傳輸。

4 結(jié)語

現(xiàn)有刮板輸送機(jī)多采用人工方式監(jiān)控，存在效率低問題，難以滿足采面高效生產(chǎn)需求。為實現(xiàn)刮板輸送機(jī)運行參數(shù)在線監(jiān)測，綜合無線傳感器、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構(gòu)建運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置位置監(jiān)測布置、通信方式等進(jìn)行參數(shù)。構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)刮板輸送機(jī)運行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在一定程度增強(qiáng)刮板輸送機(jī)運行參數(shù)掌握、故障預(yù)警能力。在1305 綜采工作面SGB620/40T 刮板輸送機(jī)上應(yīng)用表明，監(jiān)測系統(tǒng)獲取得到的刮板輸送機(jī)運行參數(shù)與人工監(jiān)測參數(shù)接近，監(jiān)測系統(tǒng)運行平穩(wěn)，表明構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)較為可靠、監(jiān)測數(shù)據(jù)有效，通過監(jiān)測系統(tǒng)可排除刮板輸送機(jī)運行時潛在故障。