重型刮板输送机断链自动监测系统设计

张 亮

（山西潞安集团蒲县常兴煤业有限公司， 山西 临汾 041207）

1 重型刮板输送机结构

刮板输送机主要由驱动电机、机头架、中部槽、刮板链、链轮等组成，其中，中部槽是主要的承载部件，其上的落煤可随链轮上各节刮板不断向机头方向运移；电机部分包括变频电机、液力耦合器、减速器等部件，可根据当前负载和生产情况调节输出转速和转矩，带动链轮与刮板链旋转啮合运动。

另外，刮板链作为主要的作用力工具，其形式包括中单链、边双链和中双链三种，对于重载刮板输送机，其刮板受力较大，因此适宜采用双链结构；而边双链结构在中部槽弯曲段时，内外两链的受力不均匀，易受拉断裂，因此一般重型刮板输送机常用中双链结构[4-6]。

2 断链监测原理及方法

结合井下特殊作业环境和刮板输送机工作原理，可同时采用刮板偏移检测法和电机电流检测法对链条运行状态进行监测，以提高监测效率，两种方法的具体原理如下。

2.1 刮板偏移检测法

如图1所示，当刮板链发生断裂时，相关位置的刮板在落煤阻力作用下发生偏斜，假设偏斜距离为Δa，通过检测Δa的大小，即可对断链发生状态进行监测。

图1 刮板偏移法检测原理

检测原理：在中部槽水平对称两侧，安装非接触式检测传感器，当刮板长度一端离传感器距离最近时，传感器可发出反馈信号；而当同一刮板两端的反馈信号存在时间差Δt时，根据当前刮板链的运动速度v，可计算得到Δa=v·Δt；假设给定最小临界偏差为Δamin，则当Δa≥Δamin时，认为发生断链故障。为防止单组测量组成的偏差，一般在容易发生断链故障的机头和机尾中部槽两侧安装多组传感器。

2.2 电机电流检测法

一般情况下，当煤块卡滞刮板链或运煤量发生较大变化时，位于机头和机尾的驱动电机的电流会出现可检测的较小差值。但当刮板链断裂后，刮板将在中部槽拼接缝等位置发生卡挂或堵链等故障，从而造成头尾两侧电机的电流差值急剧增大，因此，当检测到的该电流差值大于预警差值ΔImin时，认为发生断链事故。一般情况下，重型刮板输送机的机头安装2台电机，机尾安装1台，假设头部2台电机的电流分别为I1，I2，尾部电机电流为I3，则头尾电流差值当ΔI≥ΔImin时，发生断链故障。

3 断链监测系统设计

3.1 总体设计

刮板输送机断链监测系统主要由传感器、控制柜、工控机、连接线缆等设备组成，如下页图2所示，其中工控机位于井上监控室，主要用于安装监控软件，并向工作人员发出断链报警信号，同时，监控端还具有远程停机权限，用于事故的紧急处理。其余设备均位于井下，因此应首先满足煤矿防爆要求，同时还要求设备具有良好的防水、防振、抗干扰能力。

用于检测刮板端部位置的传感器共设置5组，每组2个，其中3组安装在断链故障频发的机头区域，另2组安装在机尾中部槽两侧。5组传感器信号单独传送，由PLC控制器按预设逻辑规格，对报警和停机操作进行判断。另外，从各电机变频器获得的信号，可为系统提供电流值、电机转速等参数信号，并最终上传至PLC控制器。

控制柜包含电源、PLC控制器、输入和输出设备等，其中PLC控制器是核心部件，可接受来自传感器的模拟或数字信号，经逻辑处理后，将设备运行状态信号上传至工控机。

图2 断链监测系统总体设计

3.2 关键硬件的型号选择与安装

3.2.1 传感器

根据工作环境和非接触式测量要求，用于检测刮板端部位置的传感器选用施耐德XS1 N30PA349电感式接近开关传感器。该传感器体积小、安装方便，检测距离最大为20 mm。电感式传感器主要由振荡器、放大电路和开关电路三部分组成，振荡器在通电情况下可持续产生一个局部范围的交变磁场，当金属刮板端部向该磁场靠近时，金属体感应产生电流，并呈涡流状态，与振荡器的交变磁场相互作用，并引起磁场强度衰减，甚至停振，当刮板端部距离传感器最近时，影响最明显，该振荡信号的衰减可被放大电路转换为开关信号，从而触发驱动控制器件。由此，如图3所示，对称布置在中部槽两侧的传感器，可通过检测同一刮板两端部的通过时间，对刮板的水平固定状态进行检测，从而间接判断断链故障的发生情况。

3.2.2 PLC控制器

由于PLC控制器同样位于井下工作环境中，因此从稳定性等角度出发，选择西门子S7-1200 CPU 1214C AC/DC/PLC可编程控制器作为监测系统的核心控制单元，其存储器为50 kB，可接受14点输入信号，具备3个通信模块，可利用CSM 1277以太网模块和CM 1241 RS485通讯模块完成与电感式传感器、电机变频器和上位机之间的信号传输。PLC控制器需安装在具有防爆功能的电气控制柜内，同时该控制柜还应具有良好的隔离、抗干扰功能。

图3 电感式接近开关传感器安装示意图

3.3 控制器逻辑规则

对PLC控制器的编程，应遵循易懂、可靠的原则，保证在发生断链故障时能够及时识别，并尽可能降低误判断的概率

1）控制器自动采集来自各电机变频器的电机转速和电流等信号，电机转速可转化为刮板链运动速度 v，并存储。同时，利用获得的 I1、I2、I3电流值，计算头尾电机电流差值ΔI，当ΔI≥ΔImin时，系统发出警报。当该状态持续时间超过设定值tmax时，认为发生断链故障，系统自动切断电机电源，并发出故障报警。

2）控制器自动采集来自5组电感式传感器的开关信号，并对同一组内两传感器信号的时间差Δt进行计算，然后利用刮板链运动速度v，计算刮板偏移差Δa，当连续监测到2次以下Δa≥Δamin时，系统发出警报；当连续监测到3次以上Δa≥Δamin时，认为发生断链故障，系统自动切断电机电源，并发出故障报警。

4 结语

重型刮板输送机断链自动监测系统主要通过电气实现操作，安装方便，采用PLC编程，大大提高了系统的可靠性。该系统的设计和应用有效解决了刮板输送机经常出现的飘链、断链等事故，实施后效果良好，使煤炭企业的自动化程度进一步得到提高。