張二平

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033102）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤礦開(kāi)采中的關(guān)鍵設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用到了井下煤礦開(kāi)采中。由于井下環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)時(shí)常發(fā)生各類(lèi)安全故障，其中，設(shè)備中的減速器、液力耦合器、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的故障率占整個(gè)設(shè)備的75%左右，由于井下設(shè)備的開(kāi)采作業(yè)相對(duì)閉環(huán)，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)維修情況，嚴(yán)重影響著其他設(shè)備的正常運(yùn)行，也給井下作業(yè)安全構(gòu)成了重要威脅[1]。當(dāng)前，雖在設(shè)備中添加了控制系統(tǒng)，但監(jiān)控范圍及參數(shù)值相對(duì)較小，準(zhǔn)確性較低，無(wú)法對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及諸多故障類(lèi)型進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，整體智能化控制程度較低[2]。為此，將當(dāng)前更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到設(shè)備的實(shí)際作業(yè)中，提升刮板輸送機(jī)中監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，已成為企業(yè)關(guān)注的重要任務(wù)。

1 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在問(wèn)題分析

1）當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)部分參數(shù)的就地監(jiān)控，無(wú)法將采集數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端的控制中心，也未與整個(gè)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成化一體統(tǒng)一設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程管理[3]；

2）設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)大多能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示，但存在采集及分析處理數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)保存、顯示界面內(nèi)容無(wú)法調(diào)整的問(wèn)題，同時(shí)，人員無(wú)法通過(guò)顯示屏對(duì)設(shè)備的安全控制功能進(jìn)行操作控制[4]；

3）設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)無(wú)法通過(guò)快速方式，在顯示屏中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并無(wú)法通過(guò)顯示界面對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制；

4）設(shè)備控制系統(tǒng)所使用的檢測(cè)儀器的使用壽命較短，所采集的數(shù)據(jù)大多都是通過(guò)傳統(tǒng)的基頻方式進(jìn)行傳輸，存在信號(hào)傳輸速度較慢、信號(hào)失真等問(wèn)題，井下抗爆性也相對(duì)較差[5]；

5）由于井下環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在較大信號(hào)干擾，且所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性也相對(duì)較差，極容易出現(xiàn)信息誤報(bào)問(wèn)題。

為此，有必要以現(xiàn)有的刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開(kāi)展監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前刮板輸送機(jī)中監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀，開(kāi)展了刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)包括了配套傳感器、脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)電路、通訊電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、STM32F103處理器、人機(jī)界面、RS485通訊接口、聲光報(bào)警等部分。其中，傳感器包括了轉(zhuǎn)速、溫度、流量、液位、壓力等傳感器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)作業(yè)時(shí)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)RS485接口，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)電路信號(hào)轉(zhuǎn)換后，傳輸至STM32F103處理器中進(jìn)行信號(hào)的分析判斷和處理，分析判斷后的數(shù)據(jù)則通過(guò)人機(jī)顯示界面，將其再進(jìn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，若設(shè)備某一部分發(fā)生異常情況時(shí)，則系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)聲光報(bào)警模塊及時(shí)發(fā)出提示，并在人機(jī)顯示界面中顯示[6]。另外，所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可通過(guò)RS485接口和CAN總線(xiàn)通訊接口，完成與井下其他設(shè)備之間的信號(hào)傳輸，由此，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和集成化設(shè)計(jì)。刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案框架如下頁(yè)圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案框架圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制電路設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)在作業(yè)時(shí)，若散熱效果不好，加上井下通風(fēng)效果不佳，極容易出現(xiàn)設(shè)備工作溫度升高現(xiàn)象。為此，設(shè)計(jì)了設(shè)備工作溫度的控制電路，其電路圖如下頁(yè)圖2所示。在該電路中，電壓平臺(tái)設(shè)DC24V，配備了多種電阻和電容元器件，能將檢測(cè)的電阻信號(hào)，先轉(zhuǎn)換為4~20 mA的電流信號(hào)，最后轉(zhuǎn)換為CPU能識(shí)別的電壓信號(hào)，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)置的閥值時(shí)，該電路將執(zhí)行切斷電機(jī)運(yùn)行的操作。同時(shí)，匹配了PT100的防爆型溫度傳感器，如圖3所示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備上溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

圖2 溫度控制電路圖

圖3 PT100的防爆型溫度傳感器

3.2 脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合器輸出轉(zhuǎn)速的監(jiān)控功能，故需對(duì)整個(gè)電路中的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)節(jié)。因此，所設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)電路（見(jiàn)圖4）主要包括了鉗位電路、隔離電路、隔離電路等組成，具體包括光電隔離耦合器、二極管、74HC14芯片、電阻等元器件，電路的電壓平臺(tái)采用了DC5V，工作原理為：通過(guò)選用的轉(zhuǎn)速傳感器將采集的數(shù)據(jù)以脈沖信號(hào)方式進(jìn)行發(fā)出，輸入值Din端，經(jīng)過(guò)74HC14芯片和觸發(fā)器，傳輸至鉗位電路中，最終由CPU進(jìn)行信號(hào)捕捉和采集調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器脈沖信號(hào)的調(diào)節(jié)控制。

圖4 脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)電路

3.3 電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中所采用的電壓包括了DC24V、DC12V和DC5V等，需經(jīng)過(guò)電壓的轉(zhuǎn)換后，方可為監(jiān)控系統(tǒng)直接使用，保證信號(hào)采集端電壓與采集端接地電壓一致。為此，設(shè)計(jì)了電壓調(diào)節(jié)電路。在該電路中，包括了穩(wěn)壓電路和嵌位電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電壓的相互轉(zhuǎn)換。例如：由于單片機(jī)的電壓值為DC 3.3 V，故可首先將輸出信號(hào)控制在0~5 V范圍內(nèi)，再經(jīng)過(guò)比例電路處理后，按照一定的比值關(guān)系，將電壓值轉(zhuǎn)換為0~3.3 V范圍內(nèi)，以供單片機(jī)和CPU的正常使用。同時(shí)，該電路僅需3個(gè)階段的電壓調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)24路模擬量信號(hào)的調(diào)節(jié)，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)調(diào)節(jié)電路的復(fù)雜性。電壓調(diào)節(jié)電路如圖5所示。

圖5 電壓調(diào)節(jié)電路圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在完成整套監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步掌握該系統(tǒng)的可靠性及綜合性能，將該系統(tǒng)在SGZ1710型刮板輸送機(jī)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中主要是對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示及遠(yuǎn)程操作控制等方面進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試周期為6個(gè)月。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，所采集的設(shè)備狀態(tài)包括了工作電壓、溫度、行進(jìn)速度、工作時(shí)間、最大功率、啟停操作控制等，實(shí)現(xiàn)了將設(shè)備中各關(guān)鍵元器件與監(jiān)控系統(tǒng)之間的RS485通訊及信號(hào)傳輸，刮板輸送機(jī)的各項(xiàng)作業(yè)狀態(tài)則通過(guò)監(jiān)控顯示界面進(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，人員可根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行需求，對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)各類(lèi)故障問(wèn)題時(shí)，也能通過(guò)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行故障類(lèi)型及故障位置的實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警提示，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人員進(jìn)行操作干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過(guò)程的智能化遠(yuǎn)程控制需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)試期間，設(shè)備的故障率降低了將近40%，煤礦開(kāi)采效率提高了將近30%，達(dá)到了預(yù)期效果。