高志勇

(西山煤電西銘礦綜采三隊，山西 太原 030052)

0 引言

隨著我國煤炭綜采技術(shù)的飛速發(fā)展，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架等綜采設(shè)備已經(jīng)逐漸完成了國產(chǎn)替代進(jìn)口，我國超大采高智能化綜采技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)走在世界前列。目前國產(chǎn)刮板輸送機(jī)朝著大功率、智能化的方向發(fā)展，研究人員和企業(yè)致力于提高其輸送能力與安全運行水平。在線監(jiān)測刮板輸送機(jī)的運行參數(shù)，為其狀態(tài)評估和故障診斷奠定基礎(chǔ)，能夠提高綜采工作面刮板輸送機(jī)的安全性和可靠性，提高煤礦生產(chǎn)的自動化水平。為此，本文對刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代開始，法國、西德和美國先后研發(fā)了煤礦監(jiān)控系統(tǒng)并應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，目前國外許多公司針對自己生產(chǎn)的煤礦綜采設(shè)備都研發(fā)了相配套的監(jiān)控系統(tǒng)。國外對于鏈條自動張緊主要有三種技術(shù)路線，分別基于電動機(jī)功率、機(jī)頭下鏈懸垂量、機(jī)尾推移油缸壓力確定鏈條張力監(jiān)控技術(shù)。我國的相關(guān)研究起步于20世紀(jì)80年代以后，吸收國外發(fā)展經(jīng)驗，結(jié)合自身發(fā)展情況開發(fā)了許多煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)，而鏈條自動張緊技術(shù)目前仍停留在現(xiàn)場調(diào)試階段，還未實際應(yīng)用。

2 系統(tǒng)功能與技術(shù)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)功能

本文研究的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可分為井上和井下兩部分：井上部分主要指上位機(jī)；井下部分包括機(jī)頭監(jiān)控分站兩臺(分別配置在機(jī)頭前部和后部)、機(jī)尾監(jiān)控分站兩臺(分別配置在機(jī)尾前部和后部)，如果需要對轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)也進(jìn)行監(jiān)控，則包括擴(kuò)展后的破碎機(jī)分站和轉(zhuǎn)載機(jī)分站。監(jiān)控分站的功能是對電動機(jī)、減速器等被監(jiān)控設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示和存儲，并將相關(guān)信息通過通信接口向上位機(jī)發(fā)送，如果數(shù)據(jù)異常則發(fā)出相應(yīng)的報警信息。上位機(jī)接收到分站發(fā)回的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和故障診斷，實現(xiàn)刮板輸送機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)適用于煤礦井下工作環(huán)境，其技術(shù)指標(biāo)滿足本安型電氣設(shè)備的基本要求。裝置的工作環(huán)境為溫度大于攝氏0℃且小于40℃、相對濕度不大于95%的瓦斯和煤塵等氣體環(huán)境，不包括破壞絕緣的腐蝕性氣體環(huán)境。兩組本安參數(shù)為：輸出電壓24 VDC，電流0.3 A；輸出電壓12 VDC，電流1.5 A。模擬量輸入結(jié)構(gòu)有12路溫度傳感器接口、12路電壓(或電流)傳感器接口，電流輸入范圍為4 mA～20 mA，電壓輸入范圍1 V～5 V。2路數(shù)字量輸入接口，6路數(shù)字量輸出接口,1路RS485接口。

3 監(jiān)測位置選擇

經(jīng)過對刮板輸送機(jī)常見故障的分析，發(fā)現(xiàn)其故障集中在電動機(jī)、減速器和液力耦合器等部件，因此確定了電動機(jī)、減速器和液力耦合器為監(jiān)測點：①電動機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障的部位有繞組、軸承，如果局部溫度過高則容易燒毀繞組線圈和軸承，因此確定監(jiān)測繞組溫度、前軸承溫度和后軸承溫度，為了控制鏈條張緊力以及對其故障進(jìn)行診斷，還應(yīng)當(dāng)監(jiān)測電壓和電流；②減速器是傳遞電機(jī)轉(zhuǎn)矩的傳動裝置，常見的故障包括溫度過高引起的軸承故障和潤滑油故障，潤滑油故障會造成減速器齒輪和軸承磨損，因此確定減速器的檢測點為高速軸承溫度、低速軸承溫度和潤滑油溫度；③液力耦合器將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳送給減速器，其主要故障為打滑，如果出現(xiàn)打滑則容易造成液力耦合器損壞，進(jìn)而引起刮板輸送機(jī)故障和影響采煤效率，因此確定監(jiān)測液力耦合器的輸入、輸出轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

4.1 硬件設(shè)計方案

硬件電路是實現(xiàn)監(jiān)控和故障診斷功能的基礎(chǔ)，設(shè)計中要考慮功能、實用性和成本等因素，圖1為監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖，分為配套傳感器電路、監(jiān)控裝置內(nèi)部電路和外部通信接口電路三部分。配套傳感器電路有轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、油位傳感器、流量傳感器和壓力傳感器。監(jiān)控裝置內(nèi)部電路有以STM32F103控制器為核心的控制電路、信號調(diào)理電路、RS485通信電路、CAN通信電路以及鍵盤、聲光、顯示屏等人機(jī)交互電路。外部通信接口有兩路主從站RS485通信接口、上位機(jī)CAN通信接口等。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

鏈條張緊力控制是監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能，圖2為其控制電路圖。圖2中，電磁閥的作用是控制液壓油缸的伸縮，進(jìn)而實現(xiàn)鏈條的張力控制；U19為反相器，能夠增加控制器I/O口的驅(qū)動能力；U11為功率放大芯片，實現(xiàn)控制信號對電磁閥的控制。

圖2 鏈條張力控制電路圖

4.2 軟件設(shè)計方案

軟件是系統(tǒng)采集、通信和控制等功能協(xié)調(diào)運行的核心，圖3為監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖。軟件采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，針對信號的采集、控制、顯示、通信分別設(shè)計了AD采集子程序、鏈條張緊力控制子程序、顯示屏子程序和主站分站通信子程序。所有程序采用C語言編寫，選擇Keil u Vision5作為程序開發(fā)環(huán)境。Keil可在程序編寫過程中進(jìn)行在線調(diào)試和仿真，其應(yīng)用十分便捷。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

圖4為監(jiān)控系統(tǒng)鏈條張緊子程序流程圖。由于輸送機(jī)煤量不同時鏈條的松緊程度不同，鏈條張緊子程序采用多變量多模式控制，分為手動模式和自動模式，手動模式控制伸縮油缸動作；自動模式對機(jī)尾液壓壓力和行程、運行電流和采煤機(jī)位置等信息進(jìn)行綜合判斷，然后進(jìn)行相應(yīng)控制。

圖4 鏈條張緊子程序流程圖

5 應(yīng)用效果分析

將刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦井下測試一段時間后，取得了一系列試驗數(shù)據(jù)。圖5為某電機(jī)繞組溫度實測值與理論值對比圖，通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)二者十分接近，說明PT100熱電阻傳感器電路真實反映了現(xiàn)場繞組溫度。實際運行過程中，監(jiān)控系統(tǒng)也暴露了一些應(yīng)用問題，諸如通信數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、安裝形式不便利和脈沖信號采集精度不夠等。通過分析通信不穩(wěn)定原因為井下各設(shè)備啟動后造成電磁環(huán)境復(fù)雜，可能對數(shù)據(jù)傳輸線路干擾，在后續(xù)工作中可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)安裝形式來解決。液力耦合器的轉(zhuǎn)速是通過接近型轉(zhuǎn)速傳感器獲得的，這種傳感器輸出的是脈沖信號，其脈沖數(shù)可能存在偏差，后續(xù)工作中可利用信號發(fā)生器進(jìn)行可靠性論證，確定接近型轉(zhuǎn)速傳感器的最佳安裝位置，以期改善測量脈沖精度。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)實測溫度與理論溫度對比

6 結(jié)束語

目前我國綜采工作面設(shè)備的監(jiān)控和故障診斷技術(shù)還處于發(fā)展階段，相關(guān)產(chǎn)品功能還存在空白。綜采工作面刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由井上上位機(jī)和井下分站構(gòu)成，能夠?qū)崟r監(jiān)測電動機(jī)、減速器和液力耦合器等關(guān)鍵部件的溫度、電壓、電流等參數(shù)，并在數(shù)據(jù)異常時發(fā)出警報，觸發(fā)保護(hù)動作，避免事故擴(kuò)大，有效地提高了煤礦生產(chǎn)的安全性，其技術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用具有重要意義。