鄭寶峰

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

0 引言

采煤機(jī)是煤炭開采的關(guān)鍵設(shè)備，對其工作的可靠性要求較高。變頻器作為采煤機(jī)的重要組成部分，是采煤機(jī)安全和高效生產(chǎn)的重要保障，必須引起高度重視[1,2]。變頻器長期工作于高溫潮濕環(huán)境中，極易出現(xiàn)問題，影響采煤工作面的正常工作[3]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，安全預(yù)警系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，并取得了很好的應(yīng)用效果[4,5]。為了滿足采煤機(jī)變頻器高可靠性的要求，開發(fā)一套安全預(yù)警系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)變頻器運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及全壽命周期的跟蹤記錄、提高采煤機(jī)工作的效率和企業(yè)的煤炭產(chǎn)能具有重要的意義。

1 采煤機(jī)變頻器常見故障

采煤機(jī)變頻器長期處于井下，工況復(fù)雜多變、環(huán)境溫度高、周圍空氣濕度大，使其經(jīng)常出現(xiàn)各種故障。變頻器常見故障包括振動(dòng)損壞、過壓過流、短路過熱[6]。其中變頻器振動(dòng)損壞的主要原因是變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)存在速度的變化，伴隨著振動(dòng)強(qiáng)度的變化，在某個(gè)時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生共振，導(dǎo)致變頻器損壞；變頻器過壓過流是指中間直流回路的電壓和電流超過了額定值，過壓過流時(shí)間較長會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)故障，降低絕緣性能，甚至燒毀電機(jī)或者爆炸；變頻器短路過熱主要是由于內(nèi)部各電子元件工作過程中發(fā)熱，高速、高頻時(shí)極為明顯，加之工作環(huán)境溫度較高，極易引起電子元件損毀。采煤機(jī)變頻器運(yùn)行過程常見故障中發(fā)熱與振動(dòng)問題極為突出，對采煤機(jī)變頻器的影響較為嚴(yán)重。

2 采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

圖1為設(shè)計(jì)的采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)總體方案。采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)核心控制部件采用CPU單片機(jī)，能夠滿足變頻器工作溫度以及振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，通過對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定變頻器是否出現(xiàn)故障，一旦出現(xiàn)故障即發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。主控CPU能夠直接連接變頻器的傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收。主控CPU與上位機(jī)界面之間采用RS-485通信接口，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，顯示變頻器的實(shí)際運(yùn)行狀況。為了保證系統(tǒng)工作過程中的穩(wěn)定性，為主控CPU以及上位機(jī)觸摸屏設(shè)置獨(dú)立的供電電源。系統(tǒng)配置有井上遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，能夠?qū)⒂|摸屏接收得到的變頻器數(shù)據(jù)進(jìn)行同步顯示，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)變頻器井上、井下雙監(jiān)控模式，提高變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)的安全性與可靠性。

圖1 采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)總體方案

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)選型

單片機(jī)作為采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)的核心部件，要求其能夠準(zhǔn)確監(jiān)測變頻器的溫度和振動(dòng)情況，溫度檢測滿足-20 ℃～100 ℃，振動(dòng)檢測以電機(jī)實(shí)際情況為準(zhǔn)；能夠可靠地采集傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理之后將其傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示。綜合考慮單片機(jī)性能參數(shù)以及購買成本等因素，選擇型號(hào)為STC15W4K58S4的STC系列單片機(jī)，內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的精度不大于1%，外圍電路簡單，內(nèi)部嵌入較多的模塊，配置多達(dá)8路的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、6個(gè)PWM、5個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有很高的性價(jià)比，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 傳感器選型

傳感器作為采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的重要器件，直接關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。此處傳感器的主要作用是完成采煤機(jī)變頻器溫度及振動(dòng)情況的檢測，綜合考慮傳感器的性能及應(yīng)用環(huán)境，選擇K型熱電偶作為系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)采集傳感器，其主要的技術(shù)參數(shù)如下：溫度范圍為0 ℃～200 ℃、精度為1.1 ℃、信號(hào)輸出形式為雙線制、信號(hào)類型為電壓(0 mV～4 mV)、靈敏度為4.19 mV/100 ℃。所選振動(dòng)傳感器的型號(hào)為HANSFORD，具有集成程度高、反應(yīng)靈敏、防爆性能好等優(yōu)點(diǎn)，振動(dòng)信號(hào)輸出形式為響應(yīng)頻率(2 Hz～10 kHz)、精度為100 mV/g、量程為±80g。

2.2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)的通信模塊選用RS-485總線，配置型號(hào)為SN75176的芯片為其進(jìn)行收發(fā)信號(hào)。系統(tǒng)使用RS-485總線，設(shè)置了SN75176芯片電平信號(hào)值，發(fā)送信號(hào)時(shí)DE信號(hào)電平為“1”，確保該通道有信號(hào)傳輸時(shí)其他信號(hào)不能進(jìn)入，避免出現(xiàn)干擾等問題；當(dāng)該通道信號(hào)輸出完成之后，要求SN75176芯片控制端的DE信號(hào)電平為“0”，處于接收狀態(tài)。

2.2.4 聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路的主要功能是當(dāng)檢測到變頻器溫度及振動(dòng)信號(hào)數(shù)值超出設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊，發(fā)出報(bào)警聲響及警號(hào)指示，告知相關(guān)工作人員進(jìn)行檢測，避免出現(xiàn)變頻器故障。根據(jù)采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)的功能要求和應(yīng)用環(huán)境，選擇了本安型煤礦專用聲光報(bào)警器。為了保證報(bào)警器具有較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)性能，聲光報(bào)警器的驅(qū)動(dòng)選擇了型號(hào)為8050的NPN型三極管。當(dāng)聲光報(bào)警系統(tǒng)被觸發(fā)時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)出聲響報(bào)警的同時(shí)也會(huì)觸發(fā)報(bào)警指示燈，發(fā)出雙重報(bào)警信號(hào)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序設(shè)計(jì)

安全預(yù)警系統(tǒng)主程序運(yùn)行之前需要對串口通信、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)器配置等進(jìn)行初始化，之后是分機(jī)號(hào)的識(shí)別與判斷階段，進(jìn)行工作分機(jī)號(hào)的準(zhǔn)確性判定。然后啟動(dòng)檢測開關(guān)，通過變頻器傳感器即可采集得到相應(yīng)的溫度和振動(dòng)信號(hào)，借助8位的TTL通信，將采集得到的數(shù)據(jù)緩存在單片機(jī)外置的XRAM中。主控CPU工作過程中通過Modbus協(xié)議與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳輸，并將變頻器的溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏中。安全預(yù)警系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 安全預(yù)警系統(tǒng)主程序流程

2.3.2 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集作為安全預(yù)警系統(tǒng)的核心工作，要求其能夠?qū)崟r(shí)采集得到變頻器的溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)，為了提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了多通道模式選擇開關(guān)以實(shí)現(xiàn)輪詢采集變頻器數(shù)據(jù)。主控CPU能夠同時(shí)完成8路溫度數(shù)據(jù)和8路振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)首先檢測各路傳感器的工作狀態(tài)，之后確定數(shù)據(jù)采集的通道，完成數(shù)據(jù)采集之后依次進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，分通道完成數(shù)據(jù)的緩存，以便傳輸至觸摸屏進(jìn)行顯示。所需數(shù)據(jù)全部采集完成之后返回程序的入口，退出數(shù)據(jù)采集程序。為了保證溫度數(shù)據(jù)的檢測準(zhǔn)確度，數(shù)據(jù)處理過程中采用了16次累加求和處理方法。溫度數(shù)據(jù)采集程序流程如圖3所示。

圖3 溫度數(shù)據(jù)采集程序流程

振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集過程中通常包含了環(huán)境噪聲、干擾等非目標(biāo)因素，使得最終顯示在觸摸屏中的振動(dòng)數(shù)據(jù)并非變頻器的真實(shí)數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要進(jìn)行干擾信號(hào)的消除，從而提高振動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。安全預(yù)警系統(tǒng)采用均方差平方累加求和的方法對變頻器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，消除了干擾信號(hào)。具體的處理過程是計(jì)算振動(dòng)信號(hào)均值，將所采集數(shù)據(jù)與均值做差，以此消除振動(dòng)信號(hào)中的干擾因素，之后得到的變頻器振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)即可準(zhǔn)確體現(xiàn)真實(shí)的振動(dòng)情況。

2.3.3 控制界面設(shè)計(jì)

控制界面作為安全預(yù)警系統(tǒng)人機(jī)交互的窗口，必須能夠滿足工作人員的要求，基于此完成了控制界面的設(shè)計(jì)，主要包括監(jiān)控界面、操作說明和關(guān)于我們等三部分，如圖4所示。系統(tǒng)得電時(shí)，可以進(jìn)入標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行傳感器的標(biāo)定與測試工作，完成使用次數(shù)的設(shè)定；之后點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行系統(tǒng)操控，進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)測界面，即可顯示16路的溫度和振動(dòng)傳感器采集得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以曲線的形式保存在系統(tǒng)后臺(tái)。

圖4 安全預(yù)警系統(tǒng)控制界面

3 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證采煤機(jī)變頻器安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某煤礦企業(yè)進(jìn)行測試。為期半年的跟蹤記錄表明，安全預(yù)警系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足采煤機(jī)變頻器溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視功能要求。相較于未安裝安全預(yù)警系統(tǒng)之前，因發(fā)熱和振動(dòng)引起的故障停機(jī)維修時(shí)間降低了近24%，預(yù)計(jì)可為企業(yè)節(jié)省近12萬/年的設(shè)備維修費(fèi)用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近200萬/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

采煤機(jī)變頻器對于采煤工作的順利開展具有重要的影響，必須引起高度重視。針對采煤機(jī)變頻器工作過程中的發(fā)熱和振動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了安全預(yù)緊系統(tǒng)，包括系統(tǒng)硬件、軟件、控制界面等。應(yīng)用結(jié)果表明：安全預(yù)警系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足變頻器工作狀態(tài)的監(jiān)視要求。