矿用刮板输送机状态监测系统设计及其实现研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：山西省科技厅青年基金资助项目（）作者简介：曾南（），男，广东梅州人，研究方向为管理科学与工程。引用格式：曾南，杜双利 矿用刮板输送机状态监测系统设计及其实现研究 能源与环保，（）：，（）：矿用刮板输送机状态监测系统设计及其实现研究曾南，杜双利（天津大学，天津 ；太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 ）摘要：在对 （）型刮板输送机基本结构及其使用的永磁变频一体机工作原理进行概述的基础上，对刮板输送机状态监测系统整体方案进行了设计。主要由传感器组、主站、主线、上位机、数据库服务器等部分构成，可以对一体机和刮板的运行状态进行实时监测。系统中使用的 控制器、接近开关、温度传感器和转速传感器的型号分别为 、和 。从一体机运行状态监测和刮板倾斜状态监测两个层面详细介绍了系统的软件程序。对状态监测系统进行实践测试，发现达到了预期效果，具有良好的监测精度。关键词：刮板输送机；状态监测系统；控制器中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：（），：；我国是煤炭资源的生产和消耗大国，在整个能源结构体系中，煤炭资源占据举足轻重的作用 。煤炭资源能否正常供应，直接影响着我国社会经济的持续发展。随着煤矿领域技术水平的不断发展，我国的煤矿设备越来越先进，煤矿生产效率越来越高 。刮板输送机是煤矿工作面中重要的“三机”装备之一，重要作用是对开采获得的煤炭资源进行输送，因此其运行性能和稳定性直接影响着煤矿开采效率 。然而煤矿工作面的生产环境非常复杂和恶劣，比如潮湿、粉尘多等，非常不利于刮板输送机的可靠运行，导致设备不可避免地出现各类故障问题，轻则影响设备安全和生产效率，严重时会威胁井下人员的身体健康甚至生命安全 。针对该问题，有必要结合煤矿刮板输送机实际情况设计状态监测系统，利用系统实时检测设备的运行状态，以便及时发现潜在的故障问题，将问题解决在萌芽阶段，以提升设备的运行稳定性和可靠性 。本文以 （）型刮板输送机为研究 年第 期能源与环保第 卷对象，设计了状态监测系统，并将其部署到工程实践中，对于提升设备的运行稳定性和煤矿生产效率，具有重要的实践意义。刮板输送机概述 结构介绍刮板输送机是煤矿工作面中重要的机械装备，机械结构方面主要包括电动机、联轴器、减速器、驱动链轮、链条、刮板、中部槽等部分 。本文研究的 （）型刮板输送机由机头和机尾 台电机同时进行驱动，由电机输出的动力经过减速器后输入到驱动链轮中，链轮与链条进行啮合传动，实现煤矿物料的直线运输。（）属于改进型号，使用的永磁变频一体机。一体机将电动机和变频器融合为一体，不仅能削弱电磁干扰，还能缩小设备占用空间，达到降低损耗、节约资源的效果。永磁变频一体机机械结构方面，永磁变频一体机主要由永磁电机、控制箱、电抗器箱、功率箱、基座和通信接口等部分构成 。永磁变频一体机的电气原理如图 所示。为提升设备运行的稳定性，永磁变频一体机同时由两路电网进行供电，其电压和频率分别为 和 ，输入回路主要包括电抗器、预充电路和接触器。变频器的主回路基于交流直流交流、电压型变频方式进行工作，输入的电源经过整流桥后将交流电压转变成为直流电压，再经过电容器对直流电压进行滤波稳压处理，最后经过逆变电路，将直流电压转变成为交流电压，电压频率可根据实际需要进行调节。输出的电压供永磁电机使用，电机的供电电压不同，对应的输出转速不同。整个过程中利用主控板对设备的运行状态进行控制，同时还可以接受外部控制器的指令。图 永磁变频一体机的电气原理示意 状态检测系统整体方案设计设计的刮板输送机状态监测系统主要包含 部分功能：对永磁变频一体机的运行状态进行监测；对刮板机的链条状态进行监测。刮板输送机状态监测系统的整体方案如图 所示。图 刮板输送机状态监测系统的整体方案 由图 可知，除刮板输送机自身设备外，本系统包含的设备主要有机头和机尾的传感器组、主站、总线、上位机、数据库服务器等。主站主要由两部分构成，即 控制器和 模块，在机头和机尾分别设置有 从站，个从站基于 协议实现与主站之间的连接进行数据交互。永磁变频一体机可以对自身运行过程中产生的电流、电压、温度、输出转速等状态信息进行检测，检测数据信息基于 协议上传到主站中，并进行综合分析处理，达到对一体机进行实时监测的效果。设置在机头和机尾部位的传感器组可以对刮板的经过情况进行实时检测，将检测结果直接输入到主站 控制器中。根据内置的算法程序，判断刮板倾斜状态，进而分析链条运行状态，实现对刮板链状态的有效监测 。状态监测系统主要硬件选型设计 控制器的选型煤矿环境比较复杂，粉尘多、电磁干扰明显、空气潮湿等，因此对控制器的性能提出了比较高的要求。在综合考虑成本及性能的基础上，选用 系列 控制器。控制器基于模块化思想进行设计，由不同的模块拼凑而成，最重要的模块包括 年第 期曾南，等：矿用刮板输送机状态监测系统设计及其实现研究第 卷 模块、存储器模块、接口模块、通信模块以及电源模块等 ，控制器的主要结构如图 所示。电源模块的作用是为控制器所有的模块进行供电，确保设备的正常运行。存储器模块的作用是对系统程序和用户程序进行存储。接口模块的作用是与其他硬件装置进行连接，实现控制器功能的拓展。通信模块作用是变频器等其他硬件装置进行数据交互。模块是控制器的核心部分，数据分析与处理工作由 模块完成，因此其性能直接决定了控制器的性能。系统中使用的 模块型号为 ，通信模块的型号为 和 。图 控制器的主要结构 接近开关的选型接近开关的作用是对刮板的运行速度、通过时间等参数进行检测，以便对刮板的倾斜状态进行分析。目前接近开关有很多种类型，其中常见的包括电容式、电感式、霍尔式等。在综合考虑设备成本、检测精度及稳定性等因素的基础上，系统选用的是电感式接近开关，具体型号为 。此型号装置正常工作时的电压为直流 ，检测距离为 ，检测精度可以控制在 范围内，能满足系统的实际使用要求。主要传感器的选型（）温度传感器。系统运行过程中需要对永磁变频一体机的温度进行实时检测，选用的温度传感器为 ，属于铂热电阻型温度传感器，具体型号为 。基本原理是环境温度改变会影响电阻大小，即电阻值与温度之间成正比关系。传感器中设置的电阻值会随着温度的提升不断增加，经过校准后的传感器，环境温度为 时，对应的电阻值为 。选用的温度传感器具有良好的运行稳定性，可以在矿井复杂的工况环境下稳定工作。可以测量的温度为 ，正常工作时的电压为直流 ，工作环境温度为 。输出的是模拟量信号，具体为 的电流信号。温度传感器输出电流与温度之间的关系曲线如图 所示。图 温度传感器输出电流与温度之间的关系曲线 （）转速传感器。转速传感器的作用是对一体机的输出转速进行实时检测。系统中选用的传感器型号为 ，属于本质安全型装置，能满足矿井复杂的工作环境。此型号传感器可以检测的转速范围为 ，正常工作的电压为直流 ，可正常工作的环境温度为 。输出的是标准的 的电流模拟量信号。转速传感器输出电流与转速之间的关系曲线如图 所示。图 转速传感器输出电流与转速之间的关系曲线 状态监测系统软件程序设计 一体机状态监测程序永磁变频一体机监测程序工作流程如图 所示。由图 可知，软件程序开始运行以后，首先需要对一体机中的变频器部分进行初始化设置，根据实际情况设置变频器参数，确保各项硬件设施都能够正常工作。对 型 控制器进行硬件组态，作用是对控制器中的各项硬件模块进行连接，确保能够正常通信工作，并保证控制器内置的算法程序能够正常工作。对 模块进行软件组态，作用是基于 协议建立主站与从站之间的连接，确保从站检测获得的数据信息能及时上传到主站中，主站下达的指令能快速作用于从站。做好以上准备工作后可启动永磁变频一体机，一体机运行过程中，利用传感器对电流、电压、温度、转速等 年第 期能源与环保第 卷关键信息参数进行实时检测，将结果反馈到主站 控制器中。控制器判断以上关键状态参数是否正常，若检测发现存在异常问题，则立即将设备停机处理，以保障设备安全。若检测发现上述关键参数均在系统设置的安全阈值范围内，则状态监测装置会循环往复地持续监测。图 永磁变频一体机监测程序工作流程 链条状态监测程序系统主要是对机头和机尾电机的电流以及刮板的倾斜状态来分析判断链条的运行状态。在机头和机尾部位分别设置了传感器组，每组传感器由 个构成，分布在刮板输送机的两侧，其连线与设备的运输方向垂直。利用传感器可以对刮板经过该位置时的速度及其时间进行测量，然后对比刮板两侧通过该位置时的速度及其时间差，即可判断刮板的倾斜状态。机头设置的 个传感器测量的刮板速度分别为 和，机尾设置的 个传感器测量的刮板速度分别为 和，和 分别为机头和机尾刮板通过对应个传感器的时间差，和 分别为机头和机尾刮板的偏移距离。则上述参数满足以下关系式：，。系统运行中，若刮板稍有偏移即对其进行预警调整，必然会影响系统运行的稳定性。为解决该问题，设置有刮板偏移预警距离 和停机距离 。刮板输送机链条状态监测软件程序主要流程如图 所示。图 中，和 分别为机头和机尾电机的实时电流，两者之间电流差的绝对值用 表示。设置有电流差阈值 ，刮板输送机运行过程中受外部因素影响，可能会出现机头和机尾电机电流差瞬间过大的问题，如果出现问题系统立即做出反应，必然会影响设备的运行稳定性。基于此，设置了电流差预警时间 和停机距离 。由图 可知，程序开始运行后，首先对机头和机尾部位的电流差值 进行计算，并分析是否超过了安全阈值 。若超过安全阈值且持续时间超过了电流差预警时间 ，系统会向外发出故障报警信号，提示工作人员的注意。若持续时间超过了电流差停机时间 ，则系统会下达指令，对设备进行停机处理。对于机头部位的刮板，若偏移距离超过了系统设置的预警距离 ，则会发出故障报警信号。若刮板的实际偏移距离超过了系统设置的停机距离，则系统会下达指令对设备进行停机处理。对于机尾部位的刮板偏移问题，处理过程与机头部位的相同。状态监测系统实践测试研究 一体机状态监测功能测试为了对设计的刮板输送机状态监测系统的性能进行验证，根据上文的设计方案，将其应用到煤矿工程实践中，对其性能进行了现场测试。实践测试过程中，首先操作复位按钮，对监测系统进行初始化处理。然后在系统中给定电机一个相对较低的初始速度，并按下启动按钮，刮板输送机开始工作，在后续测试期间逐渐增加电机的输出转速，整个过程持续 。结果发现，监测系统可以对永磁变频一体机的运行状态参数，包括功率、电流、电压、转速、温度等参数进行实时准确测量，达到了预期效果。系统监测得到的电机有功功率以及输出转速随时间的变化曲线如图 所示。电动机电流状态监测功能测试本次测试将电流差安全阈值 设置为 ，电流差预警时间 和停机时间 分别设置为和 。台电动机工作时的输出转速控制在 年第 期曾南，等：矿用刮板输送机状态监测系统设计及其实现研究第 卷图 刮板输送机链条状态监测软件程序主要流程 图 电机有功功率以及输出转速随时间的变化曲线 左右。在系统中完成设置工作后，启动系统正式运行。在机头电机上施加相对较轻的载荷，观察监测系统的运行情况，继续在机头部位施加相对较重的载荷，观察系统的运行状态。经过多次测试，发现系统达到了预期效果。当机头施加的载荷相对较轻时，两台电机的电流差 小于安全阈值 ，刮板输送机没有做出任何反应，继续正常工作。当施加载荷较重时，机头和机尾电机的电流差值超过了安全阈值 后，经过 时间，监测系统界面弹出预警信息，提示工作人员引起注意。继续运行到 后，系统对刮板输送机做停机处理。以上结果表明监测系统对电动机电流状态的监测功能是有效的。刮板倾斜状态监测功能测试测试期间将偏移预警距离和偏移停机距离分别设置为 和 ，然后将刮板的实际偏离距离分别设置为 和 ，依次进行测试，每个距离测试 次，共进行了 次测试。刮板倾斜状态监测结果的统计情况见表 。由表 可以看出，刮板实际偏移距离与监测结果之间存在一定误差，但最大误差只有 ，在可以接受的范围内，认为监测结果具有良好的精度，能够满足工程实际使 年第 期能源与环保第 卷用要求。另外，当实际监测偏移距离小于预警距离 时，系统正常工作不会发出预警信息；当实际监测偏移距离在 时，系统会向外发出预警信息，但是不会对刮板输送机进行停机处理；当实际监测偏移距离超过停机距离 时，系统不仅会进行预警，还会对设备进行停机处理。表 刮板倾斜状态监测结果统计情况 设定偏移距离 监测偏移距离 相对误差预警停机 否否 是否 是否 是否 是否 是否 是是 是是根据以上的实践测试结果，表明设计的刮板输送机状态监测系统各项功能都达到了预期效果，可以对设备的各项状态进行准确实时的监测，及时发现设备运行中存在的故障问题，显著提升了设备运行稳定性和可靠性，不仅保障了设备的运行安全，还能创造很好的经济效益。结论以煤矿中使用的 （）型刮板输送机为研究对象，设计了设备运行过程状态监测系统，经实践测试达到了预期效果。状态监测系统可以对设备中使用的永磁变频一体机的运行状态以及刮板链的运行状态进行实时监测。系统中使用的控制器和接近开关的型号分别为 和 ，温度传感器和转速传感器型号分别为 和 ，均属于本质安全型装置，能满足矿井复杂的工作环境。将系统部署到煤矿工程实践中，经实践测试发现系统可以对永磁变频一体机的状态进行实时准确监测，能及时发现刮板存在的倾斜问题，并做出预警或停机处理。参考文献（）：盛松梅 矿用刮板输送机变频驱动优化设计与应用研究 能源与环保，（）：，（）：庞佳 刮板输送机故障诊断方法研究 能源与环保，（）：，（）：魏强 刮板输送机刮板链结构的优化设计 机械管理开发，（）：，（）：贾恒 刮板输送机刮板链运行状态监测系统的应用研究 能源与节能，（）：，（）：张骏 刮板输送机刮板链故障分析与技术改进 中国石油和化工标准与质量，（）：，（）：于聚旺 综采放顶煤工作面运输系统智能控制技术研究 能源与环保，（）：，（）：李帅，武兵，熊晓燕 刮板输送机分布张力监测系统设计 煤矿机械，（）：，（）：张燕，刘彩利 刮板输送机变频驱动系统的应用研究 能源与环保，（）：，（）：蔡明智 回采工作面刮板输送机故障检测装置研究 自动化应用，（）：，（）：