甄智強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西大同 037000）

0 引言

掘進(jìn)工作作為綜合機(jī)械化采煤的前序工作，關(guān)系著煤礦生產(chǎn)的質(zhì)量和效率[1-2]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，掘進(jìn)設(shè)備所在工作面環(huán)境比較惡劣，溫度高、煤塵濃度大，電磁干擾也較多，掘進(jìn)設(shè)備比較容易發(fā)生故障。掘進(jìn)機(jī)常見(jiàn)的故障有：截割電機(jī)由于負(fù)荷過(guò)大電流超載引起溫度過(guò)高造成的電機(jī)停轉(zhuǎn)或者電機(jī)燒壞；長(zhǎng)期工作磨損或者操作不當(dāng)引起的減速機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)例如花鍵、軸承、齒輪發(fā)生斷裂；液壓油泵或者電機(jī)損壞造成液壓油壓力異常引起運(yùn)輸機(jī)部動(dòng)作異常；供水異?；蛘邍婌F泵損壞造成噴霧系統(tǒng)異常[3-6]。掘進(jìn)設(shè)備故障將會(huì)極大拖延掘進(jìn)工作進(jìn)度，且掘進(jìn)工作面內(nèi)進(jìn)行檢修相對(duì)不便，將會(huì)極大損害煤礦生產(chǎn)效益，甚至可能影響生產(chǎn)人員安全。為了保證掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行，需要對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在發(fā)生故障時(shí)可以提前預(yù)警，較快做出檢修反應(yīng)，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)保護(hù)工人安全，提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減少工人工作量，為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體方案

掘進(jìn)設(shè)備作為煤礦生產(chǎn)的大型設(shè)備之一，涉及電氣、液壓、機(jī)械等部分，目前煤礦生產(chǎn)中較為常用的是懸臂式掘進(jìn)機(jī)[7-8]。掘進(jìn)裝置的監(jiān)測(cè)主要針對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的重要部件如電機(jī)、泵、電氣設(shè)備等。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)各結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)場(chǎng)以MCU（微處理器）為核心的智能采集監(jiān)測(cè)層和井上遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心層。智能監(jiān)測(cè)層包括傳感器部分、信號(hào)采集調(diào)理電路、MCU、聲光報(bào)警器、LCD顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)接口電路等。能夠完成對(duì)各設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、變換、處理、根據(jù)結(jié)果執(zhí)行聲光報(bào)警，并將處理結(jié)果傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、儲(chǔ)存、分析。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心則由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和顯示器組成，可對(duì)經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)而來(lái)的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存、進(jìn)一步分析統(tǒng)計(jì)。通信網(wǎng)絡(luò)則依據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，保障系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮掘進(jìn)機(jī)工作原理以及實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的關(guān)鍵部件進(jìn)行了監(jiān)測(cè)模塊層設(shè)計(jì)。分別選用電流傳感器、傾角傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器和瓦斯傳感器等對(duì)布置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地檢測(cè)，由數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路進(jìn)行采集、放大、濾波、轉(zhuǎn)換并且傳輸給數(shù)據(jù)處理單元MCU，由MCU內(nèi)嵌程序?qū)Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行判斷，決定執(zhí)行聲光報(bào)警與否。監(jiān)測(cè)模塊不僅將異常數(shù)據(jù)判斷結(jié)果反饋給顯示屏決進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，還將具體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心工控機(jī)。操作人員可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)論對(duì)掘進(jìn)運(yùn)行檢修工作進(jìn)行調(diào)整，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 硬件分析選型

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要硬件設(shè)備包括各種傳感器、微處理器（MCU）、遠(yuǎn)程工控機(jī)、通信線纜、電路板、電源等。MCU選擇ST（意法）公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的微處理器STM32 L0系列超低功耗MCU，擁有64 kB閃存、8 kB RAM，采用64引腳封裝。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x擇山東中煤工礦集團(tuán)生產(chǎn)制造的GJC4型煤礦用低濃度甲烷傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)將井下工作環(huán)境中的CH4濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)輸送給數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性能可靠的特點(diǎn)。振動(dòng)傳感器則選擇蘭德科技生產(chǎn)的BZ11壓電式加速度振動(dòng)傳感器，利用壓電晶體的正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換原理制成。該傳感器穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，適用于煤礦生產(chǎn)環(huán)境。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)包括對(duì)工作環(huán)境的瓦斯（甲烷）濃度監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)和掘進(jìn)設(shè)備各部件結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分別利用溫度傳感器、壓力傳感器對(duì)油缸的液壓油溫、油壓進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)液壓油溫、油壓判斷液壓系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估，當(dāng)油溫過(guò)高或壓力異常時(shí)發(fā)出警告；此外針對(duì)液壓電機(jī)進(jìn)行電流電壓監(jiān)測(cè)。

截割系統(tǒng)監(jiān)測(cè)包括對(duì)截割電機(jī)的電壓、電流情況的監(jiān)測(cè)、繞組溫度的監(jiān)測(cè)，以及利用加速度傳感器對(duì)傳動(dòng)軸、截割減速器機(jī)械振動(dòng)的檢測(cè)監(jiān)控。噴霧系統(tǒng)監(jiān)測(cè)針對(duì)外部供水流量、水泵液壓馬達(dá)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外還對(duì)行走部、裝載部、運(yùn)輸部的液壓馬達(dá)的壓力監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備本體部進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及機(jī)身傾角監(jiān)測(cè)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并結(jié)合設(shè)備情況對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。MCU通過(guò)8個(gè)數(shù)據(jù)管腳實(shí)現(xiàn)與1602顯示屏的數(shù)據(jù)傳遞，通過(guò)RS、RW、EN3個(gè)管腳實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD屏的控制。MCU與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心工控機(jī)利用RS-485串口通信連接，利用USB接口和USB/RS-485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離抗干擾傳輸。傳感器采集狀態(tài)信息通過(guò)外設(shè)的的數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)與MCU數(shù)據(jù)對(duì)接，選用的MCU自帶12路ADC，可實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。STM32L0與LCD1602之間連接如圖3所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊流程

圖3 LCD1602與STM32連接圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、計(jì)算處理以及傳輸，需對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心處理器進(jìn)行軟件編程。針對(duì)系統(tǒng)選用的STM32 MCU，選擇廣泛應(yīng)用于ARM內(nèi)核MCU開(kāi)發(fā)的Keil微控制器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Keil平臺(tái)提供了功能較為強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境（uvision），是一個(gè)集成了C語(yǔ)言編譯器、宏匯編語(yǔ)言以及連接器、庫(kù)管理、仿真調(diào)試器的整體開(kāi)發(fā)方案。且Keil for ARM的界面和VC++的界面十分相似，界面比較友好，應(yīng)用廣泛、方便工程人員學(xué)習(xí)使用，可同時(shí)完成程序調(diào)試、軟件仿真方面的工作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊一般流程如圖4所示。

4 實(shí)際應(yīng)用

對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)采集、處理、故障聲光報(bào)警等功能?？蛇h(yuǎn)程對(duì)環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)溫濕度、瓦斯?jié)舛取⒄駝?dòng)值、壓力、傾角進(jìn)行顯示監(jiān)測(cè)。在使用過(guò)程中發(fā)生截割部振動(dòng)值異常報(bào)警，操作人員停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)異常由截割頭部遇到硬巖石作業(yè)引起回轉(zhuǎn)油箱軸銷脫位松動(dòng)引發(fā)，經(jīng)過(guò)檢修及時(shí)排除了隱患，避免了更大損失；在設(shè)備液壓系統(tǒng)電機(jī)溫度過(guò)高時(shí)系統(tǒng)也提前發(fā)了出聲光報(bào)警；表明系統(tǒng)可以及時(shí)給予運(yùn)行人員準(zhǔn)確提示，保護(hù)設(shè)備及人員安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合相關(guān)資料以及生產(chǎn)實(shí)際情況研究并設(shè)計(jì)了一套針對(duì)煤礦掘進(jìn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行環(huán)境及主要設(shè)備的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)在發(fā)生故障時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)警。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試表明，系統(tǒng)可較好地完成預(yù)期目的，可對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示、計(jì)算、儲(chǔ)存，自動(dòng)對(duì)運(yùn)行情況正常與否進(jìn)行判斷和報(bào)警，且具有實(shí)時(shí)性好、可視化、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，能夠有效保障掘進(jìn)設(shè)備安全正常，提高掘進(jìn)工作穩(wěn)定可靠性，保護(hù)工人安全，為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。