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煤矿井下刮板输送机运行监测系统研究

2023-10-20 49 上传者：管理员

摘要：刮板输送机是主要的运输设备，实现刮板输送机运行参数监测，对提升刮板输送机运行可靠性、故障排除及预警能力等均有显著促进意义。根据刮板输送机工作特点，综合无线通信、传感器技术构建刮板输送机运行参数监测系统，并对系统架构、无线通信以及驱动装置监测等内容进行详细阐述，构建的监测系统可实现刮板输送机驱动电机电流、温度、转速等以及减速器油温、油位等参数监测，同时通过工业以太网可传输至地面。现场应用实践表明，该监控系统运行可靠，监测参数、通信系统精准度较高，可满足刮板输送机运行监测需要。

关键词：
传感器
刮板输送机
无线通信
监测系统
运行参数
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刮板输送机是煤矿常用运输设备，在煤矿井下应用较为广泛，但是刮板运行监测技术仍较为单一且方法落后，甚至部分煤矿仍通过工人经验判定刮板输送机运行参数，无法给刮板输送机高效运行提供可靠保障[1,2,3]。部分煤矿虽然引进先进的数据采集、监测技术等，但是受到煤矿井下空间狭小、设备繁多等因素影响，布线较为困难且容易导致线缆破损、通信中断等问题[4]。为此，将工业以太网通信、无线传感器监测以及现场总线技术等融合，在充分发挥各通信技术优势基础上，构建具备远程智能监控、故障预警以及运行记录查询功能的刮板输送机运行参数监测系统，以期提高刮板输送机运行参数监测能力并提升刮板输送机运行可靠性。

1、运行参数监测系统设计思路

对刮板输送机运行参数进行监测时，依靠井下以太网作为主要通信网络，避免某一通信阶段出现故障时引起整个通信网络出现瘫痪；无线传感器网络通信节点接入到以太网并将数据传输至地面监控中心服务器，服务器对数据处理、分析及显示；地面监控中心发出的控制指令经以太网传输至井下，并经总线控制器传输至现场总线系统，实现刮板输送机运行远程调节，具体构建的刮板输送机运行参数监控系统架构如图1所示[5,6]。

2、监控系统结构

2.1 通信系统

2.1.1 工业以太网

煤矿工业以太网架构保包括地面及井下两部分，为增强工业以太网通信能力及可靠性，地面及井下工业以太网均设计为环形。井下工业以太网主要用以连接总线控制系统、无线传感器通信网络，主要任务是实现井下数字化信息与地面以太网信息进行交互。地面以太网接收到井下以太网信息后，并将信息传输至监控中心服务器，服务器对接收到的信息进行处理、分析、存储及显示[7]。

图1 刮板输送机运行参数监控系统架构

2.1.2 现场总线控制系统

现场总线控制系统用以实现刮板输送机装置运行控制，主要包括有软启动、停车、减速、洒水及报警等。刮板输送机软启动依靠变频器实现，通过变频器可降低启动带来的电气及机械冲击，在刮板输送机软启动时调节洒水流量，提升水利用效率。同时现场总线依靠控制器实现刮板输送机减速、停车等控制。

2.1.3 无线通信模块

在采面使用的无线通信应能满足井下恶劣、复杂环境需要，具备有传输效率高、抗干扰能力强、不出现电线折断以及便于安装等优势。依据井下情况，无线通信收发芯片均采用Microchip生产的TRF6901、AT53S71微控器，工作频率为427.53 MHz/428.16 MHz，选用的收发芯片具备有单价低、功率大、外界零件少、使用性强等特点。为确保设备连接可靠性，采用MAX565接口芯片实现数据传输。

2.2 监测数据采集及传输

2.2.1 无线传感器

采用的无线传感器本身就具备有自组织及多跳特性，可充分利用无线传感器特性并经汇聚节点接入至井下以太网环境，降低采面布线工作量及难度并实现刮板输送机全方位监测。具体选用的各传感器类型及功能为[8]:

1）气敏传感器。该传感器主要用以监测刮板输送机周边气体成分、浓度，如实现瓦斯、CO等气体监测，避免有害气体超标引起安全事故。

2）超声波传感器。选用的超声波传感器主要通过超声波实现链条、刮板等损伤探测，及时发现链条及刮板潜在损伤，避免出现断裂事故，提高运行保证能力。

3）测速传感器。选用的测速传感器用以监测电机、链板速度，通过电机、链板速度对比判定刮板输送机动力、传动部分是否出现故障。

4）压力传感器。选用的压力传感器对链条作用到溜槽上压力进行测定，通过压力测定判定是否出现超载问题，同时可避免刮板输送机过载、电机过载等问题。

5）温度传感器。选用的温度传感器用以实现刮板输送机电机温度、周边温度等监测，当发现温度异常时采用减速或者停车方式，避免异常高温持续。

2.2.2 驱动装置监测

刮板输送机驱动装置结构如图2所示，置于机头及机尾处驱动电机经液力偶合器、减速器等带动链轮转动，驱动刮板链循环移动，将刮板输送机溜槽煤炭运至机头位置实现转载、外运。刮板输送机运行期间，若驱动装置出现故障则会直接原煤运输，常见的驱动装置故障类型包括有启动电机运行异常、轴承或者齿轮等严重磨损、减速器润滑效果差等。

监测系统主要监测内容包括有电机电压、电流、转速、机体内温度等；减速器输入、输出轴温度、减速器内液压油温、油量等；冷却液温度、流量等。

构建的驱动装置监测系统主要结构模块包括有A/D转换模块、数据采集模块、信号调理模块、上位机显示模块、无线通信模块、单片机以及本安电源等。

图2 驱动装置结构图

2.2.3 数据采集

数据采集是刮板输送机运行参数监测的重要组成单元，监测数据精准性会给监测系统性能产生直接影响。数据采集模块主要结构组成包括有传感器、A/D转化器、单片机（型号STC11F60XE）、信号调理器等构成。采用传感器均具备无线通信功能，类型包括有流量、温度、电流及液位等，选用的传感器均为本安防爆型。传感器主要功能是监测刮板输送机运行参数并经相关电路处理后将电信号转换成数字信号，最后暂时存储在单片机缓冲区，等待信号传输，具体数据采集流程如图3所示。

图3 数据采集流程

3、现场测试分析

将上文所述刮板输送机运行参数监测系统应用到山西某矿1305综采工作面刮板输送机运行监测中。采面使用的刮板输送机类型为SGB620/40T，额定运输能力150 t/h，采面内铺设长度为100 m，链条运行速度0.86 m/s，装机功率为40 kW，刮板链破断力为850 kN，通过水冷方式为减速器降温。现场应用后监测系统、现场人工测定获取得到刮板输送机运行参数见表1。

通过对比表1数据得知，监测系统与人工监测获取数据结果相近，偏差较小，表明现场采用的监测系统监测精度较高、通信系统可实现监测数据高精度传输。

4、结语

现有刮板输送机多采用人工方式监控，存在效率低问题，难以满足采面高效生产需求。为实现刮板输送机运行参数在线监测，综合无线传感器、现场总线控制系统构建运行参数监测系统，并对该系统网络拓扑结构、驱动装置位置监测布置、通信方式等进行参数。构建的监测系统可实现刮板输送机运行远程监控，在一定程度增强刮板输送机运行参数掌握、故障预警能力。在1305综采工作面SGB620/40T刮板输送机上应用表明，监测系统获取得到的刮板输送机运行参数与人工监测参数接近，监测系统运行平稳，表明构建的监测系统较为可靠、监测数据有效，通过监测系统可排除刮板输送机运行时潜在故障。

参考文献:

[1]李川.刮板输送机卡链原因分析及监测系统设计[J].机械管理开发,2022,37(3);255-257.

[2]刘亚琪.矿井刮板输送机监测及故障诊断系统设计[J].机械管理开发,2022,37(1):126-128.

[3]陈瑞利.采煤工作面刮板输送机运行参数监测系统研究[UJ].中国石油和化工标准与质量,2021,41(24):.45-46.

[4]汪连成.刮板输送机智能化技术及应用[J].煤矿机械,2022,43(1):138-140.

[5]王鑫.刮板输送机异常载荷下动力学特性研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2021.

[6]李婷婷.自供能式刮板链张力监测无线传感器节点研究[DJ.徐州:中国矿业大学,2021.

[7]樊伟.矿井刮板输送机链条张力监测装置设计研究[J].矿业装备,2021(1):144-145.

[8]李华清.昊兴源煤矿SGZ764/500型刮板输送机监控装置设计[JJ.能源与节能,2020(11):117-118.

文章来源:杨海虹.煤矿井下刮板输送机运行参数监测系统研究[J].机械管理开发,2023,38(10):186-188.