基于ZigBee 無線通信的綜采面刮板鏈張力監測研究

楊海虹

（汾西礦業集團設備修造廠， 山西 介休 032000）

0 引言

刮板輸送機是煤炭開采時的關鍵設備之一，刮板鏈是刮板輸送機主要組成單元，受到刮板輸送機鋪設距離長、負載大以及使用環境惡劣等因素影響，刮板鏈容易出現各類事故，輕則影響刮板輸送機運輸效率，重則引發安全事故[1]。刮板鏈常見故障類型包括有卡鏈、斷鏈等，當刮板鏈出現故障時張緊力會出現顯著變化，因此通過監測刮板鏈張緊力可對刮板鏈是否處于正常狀態進行判定，以便達到提升刮板輸送機工作效率的目的；同時刮板鏈張力過大會加劇設備運行阻力，從而增加刮板輸送機運行能耗，因此對刮板鏈張力進行實時監測，可為技術人員判定刮板輸送機是否出現故障提供參考，并對提升設備運行穩定性及壽命等起到一定的促進作用[2-3]。文中就在分析刮板輸送機結構基礎上，提出一種基于ZigBee 的刮板鏈張力監測系統，該系統通過在刮板鏈上布置應變片實現張力監測、通過ZigBee 通信網絡實現信號傳輸，達到刮板鏈張力實時監測目的。

1 刮板輸送機結構

山西某礦設計產能為280 萬t/a，回采煤層包括有3 號、5 號、6 號、9 號及13 號等，煤層賦存條件較好、開采范圍內地質構造不發育。3306 綜采工作面回采3 號煤層，煤層厚度均值為3.2 m、傾角為3°～10°，頂底板巖性以泥巖、粉砂巖及碳質泥巖等為主。3306綜采工作面設計推進長度為1 880 m、采面斜長260 m，鋪設的刮板輸送機長度為262 m，型號為SGZ764-400型，具體技術參數如表1 所示。

表1 刮板機技術參數

SGZ764-400 刮板輸送機具備有運輸量大、適應性強以及應用范圍廣等優勢，主要結構有機頭、機尾、刮板鏈、刮板、中板以及其他附屬設備等。刮板輸送機驅動裝置同歸帶動鏈輪驅動刮板鏈、刮板循環移動，從而實現刮板鏈上原煤運輸。受到煤炭開采地質條件復雜、采煤機割煤以及煤層賦存條件等多因素影響，刮板輸送機負載、使用環境等處于動態變化狀態，導致不同狀態下刮板鏈張力有所差異。當刮板鏈張力過大時容易增大刮板鏈與鏈輪、中部槽間磨損程度同時容易誘發斷鏈故障，增大設備運行能耗；當刮板鏈張力偏小時，則導致鏈條過松，容易造成刮板輸送機啟動或者停機期間出現鏈輪振動、沖擊或者鏈條脫輪問題，嚴重時導致斷鏈、卡鏈等事故。3306 綜采工作面在生產過程中曾多次出現卡鏈引起驅動裝置溫度過高問題，導致生產中斷。為此，文章構建刮板鏈張力監測系統，通過張緊力監測提高刮板輸送機運行可靠性。

2 刮板鏈張力監測系統

2.1 系統整體架構

具體構建的刮板鏈張力監測系統架構如圖1 所示，主要結構組成單元包括有張力監測模塊、無線通信模塊以及數據接收裝置等，具體架構如圖1 所示。刮板鏈張力監測主要依靠應變片實現，張力值依靠ZigBee 網絡傳輸，張力值監測結果通過上位機進行處理、分析以及顯示。實現刮板鏈張力值精準測定以及結構高精度、高效傳輸是實現張力監測的關鍵所在，為此文中就重點對張力監測裝置以及ZigBee 通信網絡構建等進行分析。

圖1 刮板鏈張力監測系統架構

2.2 張力監測

刮板輸送機運行期間刮板鏈不斷移動，采用的張力監測裝置應隨著刮板鏈不斷前移，因此提出應變片測定刮板鏈張力，同時通過內置天線將應變片監測值傳輸，從而實現刮板鏈張力監測。為確保張力監測可靠性并為應變片、天線安裝創造條件，需要改造刮板鏈鏈條結構。在刮板鏈橫聯圓柱上開平槽以便為應變片安裝創造良好條件，同時在應變片表面涂抹防護膠，達到保護應變片目的；在中板空腔內布置無線信號發射裝置，并通過上下保護罩保護，為無線信號發射裝置提供保護，降低粉塵、礦井水等影響。

張力采用2 個應變片監測并與集成電路連接，將應變片應變量轉換成張力值，同時監測結果通過無線通信裝置傳輸。具體與應變片連接的集成電路結構組成如圖2 所示，主要結構模塊包括有應變片模塊、方法?？煲约盀V波模塊，在應變片模塊中端頭1、端頭3用以監測結果傳輸，端頭4 與供電電源連接，端頭2與CC2530 端頭連接實現信號傳輸。

圖2 集成電路結構示意圖

集成電路數據采集流程如圖3 所示，集成電路可獲取應變片值并進行數據傳輸，同時對集成電路進行供電、休眠等模式控制，降低能耗，實現長時間低功能耗運行。

圖3 集成電路運行流程圖

2.3 無線通信

無線通信主要依靠CC2530 處理器、無線天線實現信傳輸。采用的CC2530 處理器與ZigBee 芯片具有較好的兼容性，同時通信接口豐富，具體技術參數如表2 所示。張力監測結果通過天線傳輸給上位機，由于安裝空間狹小，為提升通信質量，采用螺旋狀金屬網作為天線兩臂，在減少占用空間集成上增加天線長度，具體安裝長度可達到30 cm 以上。采用的天線最大輻射方向增益為4.171 dB，通信效果較好、效率高。

表2 技術參數

在構建無線通信網絡時首先對ZigBee 協議進行初始化處理，向協調器發出入網申請，成功后則分配對應的IP，將采集得到的刮板鏈張力支數據打包發送。

3 現場驗證分析

為驗證上文構建的基于ZigBee 網絡的刮板鏈張力監測系統應用效果以及測量精度，將刮板鏈張力監測系統應用到3306 采面SGZ764-400 刮板輸送機刮板鏈上。對構建的ZigBee 網絡通信質量進行分析，發現網絡通信信號強、通信質量佳、延時時間短，上位機可精準獲取刮板鏈張力監測值。對張力監測系統獲取得到的刮板鏈張力值與現場人工實測值進行比對，具體結果如表3 所示，從監測結果看出，系統獲取得到監測值與現場實測值接近，多次測量誤差均在5%以內，表明文中構建的監測系統可實現刮板鏈張力值高效監測。

表3 張力監測對比結果

4 結語

依據刮板輸送機運行工況以及現場環境，提出基于ZigBee 網絡構建刮板鏈張力監測系統，充分發揮ZigBee 網絡通信低能耗、效率高的優點。將應變片、張力監測模塊內置在刮板鏈上，隨著刮板鏈移動實現張力值實時監測，同時通過保護裝置避免煤塊、矸石等對應力監測裝置影響。

對張力監測、ZigBee 通信裝置結構及運行流程等進行詳細分析，并在3306 采面SGZ764-400 刮板輸送機進行現場工業試驗。結果表明，張力監測裝置獲取得到的刮板鏈張力值與現場實測值誤差在5%以內，監測結果較為精準；同時ZigBee 網絡覆蓋范圍廣、延時時間短以及通信質量高，可滿足采面復雜惡劣環境需要。