張 欣

（山西焦煤汾西礦業(yè)設(shè)備修造廠，山西 介休 032000）

引言

目前，煤礦生產(chǎn)井下煤礦運輸主要用刮板輸送機。由于地下工作環(huán)境非常差，從安全角度看，設(shè)備剛投入使用安全性很高，但一段時間后，由于疲勞、腐蝕、磨損等，設(shè)備安全會下降，危及刮板輸送機使用人員的生命和安全[1-2]。為了消除這些問題，延長設(shè)備壽命，確保設(shè)備正常運行，提高設(shè)備的安全和可靠性，不僅需要加強日常檢查和仔細維護，還需要研究和總結(jié)如何防止事故[3]。為解決綜采工作面刮板輸送機當(dāng)前的監(jiān)控難題，開發(fā)一套本質(zhì)安全的刮板輸送機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了控制和監(jiān)視功能，可實現(xiàn)對刮板輸送機的在線控制和遠程監(jiān)視。通過控制和故障診斷功能可以彌補現(xiàn)有監(jiān)測裝置和診斷系統(tǒng)的一些不足，提高煤礦生產(chǎn)的自動化水平。

1 總體設(shè)計

1.1 監(jiān)控點的確定

電動機的溫度監(jiān)測點確定為電動機繞組、電動機前軸承和后軸承。此外，為了控制鏈條以及診斷故障，可對電動機的電壓和電流進行監(jiān)控。將耦合器的監(jiān)視點確定為輸入速度和輸出速度，用以防止負載太大造成耦合器打滑，從而損壞聯(lián)軸器。溫度過高是軸承故障的最主要原因，而潤滑劑失效的主要原因是潤滑劑溫度過高、潤滑劑油位過低以及潤滑劑質(zhì)量下降[4]。情況在嚴(yán)重時，會損壞減速器的齒輪和軸承，造成嚴(yán)重事故。從而導(dǎo)致難以挽回的損失。因此，需重點監(jiān)控減速器的高速軸承溫度和低速軸承溫度、減速器的油溫、減速器的油位以及潤滑油的質(zhì)量。此外，為確保冷卻系統(tǒng)正常工作，還需監(jiān)控冷卻水的溫度和壓力[5]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為井下系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分，前者主要由包括前后部機頭監(jiān)控分站、前后部機尾監(jiān)控分站等在內(nèi)的六個監(jiān)控分站組成，后者主要由刮板輸送機上位機的遠程監(jiān)控故障診斷系統(tǒng)組成，兩者通過礦井光纖環(huán)網(wǎng)與井下系統(tǒng)連接。

圖1 刮板輸送機監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

刮板輸送機監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，外部通信接口部分包括3個RS-485通信接口，分別與井下集控中心、兩路主從站進行數(shù)據(jù)傳輸，此外還配置了CAN通信接口，用于主站與上位機的通訊。

圖2 監(jiān)控裝置硬件總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件選型

2.2.1 CPU

監(jiān)控裝置的CPU采用單片機ARMCortex-M3STM32103VB。它具有高性能、低功耗、低電壓運行、高集成度和易于開發(fā)的特點，擁有豐富的外圍資源和靈活的資源配置[6]。

2.2.2 顯示屏

選用為礦用本安型顯示屏ExibI為顯示屏，可用于溫度范圍為-20~40℃，相對濕度不超過96%RH（在+25℃）和壓力范圍為80~110 kPa的環(huán)境中，并且它可以在爆炸性環(huán)境（例如基于甲烷的氣體）中正常工作，以滿足系統(tǒng)使用環(huán)境的要求。顯示屏為7.0英寸真彩色LED，便于接口設(shè)計和井下人員查看。

2.2.3 電源

電源電路的原理圖如圖3所示。使用本質(zhì)安全直流電源，由于向監(jiān)視設(shè)備和傳感器采用±12 V和±24 V直流電壓供電，需將127 V交流電壓進行轉(zhuǎn)換。

圖3 電源電路的原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件程序控制著整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，是實現(xiàn)每個功能必不可少的環(huán)節(jié)，并且是監(jiān)控系統(tǒng)的核心。因此，程序設(shè)計的合理性將直接影響監(jiān)控設(shè)備的采集，通訊和控制功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)程序設(shè)計CPU程序和顯示屏程序分為兩部分，系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用基于STM32F103單片機的模塊化語言設(shè)計主程序和子程序。此外還編寫了顯示程序，為井下人員實時監(jiān)控刮板輸送機數(shù)據(jù)和狀態(tài)提供可能。

圖4 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示，打開系統(tǒng)電源后，它將首先進入主屏幕，再從主屏幕進入每個模塊屏幕。主屏幕包含數(shù)據(jù)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置、警報信息、故障診斷、歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)置等六個主要模塊，為了確保系統(tǒng)的安全性，某些屏幕需要輸入登錄密碼才能進入，因此設(shè)計了密碼登錄屏幕如圖5所示。

圖5 主屏幕及密碼界面

由于主畫面并沒有刮板輸送機顯示任何工況，在實際工作中，監(jiān)控畫面才是關(guān)注的重點對象，因此，通過后臺腳本實現(xiàn)了進入主畫面一分鐘內(nèi)無操作直接進入監(jiān)控畫面的功能，減少了按鍵操作，更符合實際需求。監(jiān)控畫面如圖6所示，在驅(qū)動這一列，對應(yīng)了監(jiān)控的五個重點部位，分別是對應(yīng)前部機頭、前部機尾、后部機頭、后部機尾、轉(zhuǎn)載/破碎機。對于每一重點部位，分別監(jiān)測減速器、電機、液壓缸三個部件，對應(yīng)的監(jiān)測項目為軸溫、水溫、水壓、油溫、油位、流量等，且對監(jiān)測項目的狀態(tài)有初步判斷，正常值顯示為綠色?？梢酝ㄟ^鍵盤的上下鍵和確認鍵進入不同的子站監(jiān)視屏幕，以查看每個站的監(jiān)視數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

圖6 監(jiān)控畫面

如下頁圖7所示，參數(shù)設(shè)置屏幕主要用于設(shè)置減速器的軸溫、水溫、水壓的的報警值、電機的軸溫和繞阻溫度以及液壓缸的目標(biāo)壓力值等。在初始化期間，CPU從屏幕讀取設(shè)置的參數(shù)。因此，每次修改參數(shù)時，都需要重新啟動，設(shè)置的參數(shù)可以生效。

圖7 參數(shù)設(shè)置畫面

4 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)功能測試是系統(tǒng)可以在現(xiàn)場使用之前的必要步驟?，F(xiàn)場測試圖如圖8所示。測試結(jié)果顯示：溫度-電阻曲線為一條直線且與理論溫度-電阻曲線基本重合，滿足實時溫度采集的要求；測試電壓、電流值與計算出的理論值之間的最大相對誤差分別為為0.60%、0.67%，符合技術(shù)指標(biāo)要求；監(jiān)控裝置能夠準(zhǔn)確采集脈沖信號，采集到超警戒信號時，LED燈能夠亮起并且蜂鳴器正常鳴響，同時屏幕上彈出顯示警告信息；通過控制電磁閥來控制刮板輸送機液壓回路，在鍵盤上的按下緊急停止按鈕時，電磁閥后停止移動，實現(xiàn)了下位系統(tǒng)的控制功能。

圖8 系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖

5 結(jié)語

為解決綜采工作面刮板輸送機的監(jiān)控點不全面、系統(tǒng)分離、系統(tǒng)自動化程度低、操作復(fù)雜等問題，通過系統(tǒng)分析了監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計開發(fā)了一套綜采工作面刮板輸送機監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)，完成了基于STM32單片機和萬維顯示器的硬件電路設(shè)計。采用RS-485以及CAN結(jié)合的通訊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了井下監(jiān)控系統(tǒng)、井下集中控制中心、上位機三者之間的通訊。配置了本安型監(jiān)控裝置的硬件并開發(fā)了相應(yīng)的軟件程序，保證了地下監(jiān)控系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的信息傳輸準(zhǔn)確度和軟件的可移植性。對開發(fā)的刮板輸送機監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)進行了包括信號采集功能測試、驅(qū)動功能測試在內(nèi)的六項功能測試。測試結(jié)果表明，所開發(fā)的綜采工作面刮板輸送機和故障診斷系統(tǒng)能夠滿足預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，并實現(xiàn)了本文提出的數(shù)據(jù)采集、通訊和控制等功能。