楊晉華

(霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400)

掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采中非常重要的機(jī)械設(shè)備，同時具備煤巖截割、裝載、輸送、行走、除塵和噴霧等多項功能，是一個非常龐雜的系統(tǒng)[1]。隨著煤礦開采朝著縱深方向發(fā)展，以及對煤礦開采效率要求的不斷提高，對掘進(jìn)機(jī)設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性要求也更高，目前掘進(jìn)機(jī)設(shè)備正朝著自動化和智能化的方向發(fā)展[2]。針對該問題，煤礦技術(shù)人員設(shè)計研究了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以對井下設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控，從而保障其運行的可靠性和安全性。目前很多礦井中都有應(yīng)用，不僅改善了礦井工作環(huán)境及勞動強(qiáng)度，還為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。本文主要結(jié)合某煤礦中使用的EBZ200型掘進(jìn)機(jī)，設(shè)計研究了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到煤礦工程實踐中，效果顯著，對于促進(jìn)煤礦智能化發(fā)展具有一定的工程實踐意義。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)概述

目前煤礦中使用的掘進(jìn)機(jī)類型有很多種，如懸臂式、縱軸式等，懸臂式掘進(jìn)機(jī)以其顯著的優(yōu)勢在煤礦中的應(yīng)用更為廣泛[5]。本研究主要以EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對象進(jìn)行分析與研究。掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)見圖1。由圖可知，整個設(shè)備由多個結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，包括截割頭、懸臂機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺、液壓裝置、裝運機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、裝載鏟板、穩(wěn)定器等，是一個非常龐雜的裝置，掘進(jìn)機(jī)的運行穩(wěn)定性是影響煤礦開采效率的重要因素之一，因此有必要結(jié)合實際情況對掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，以保障設(shè)備的穩(wěn)定可靠性。

圖1 EBZ200型掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

2.1 整體方案設(shè)計

結(jié)合煤礦實際情況設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框圖見圖2。監(jiān)控系統(tǒng)整體上分為地面和井下兩大部分。其中井下沿著掘進(jìn)巷道設(shè)置多個分站，各個分站之間通過CAN總線連接，并與地面的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。掘進(jìn)機(jī)中設(shè)置有基于MCU的數(shù)據(jù)采集處理模塊，主要作用是利用各類傳感器采集掘進(jìn)機(jī)的運行狀態(tài)以及環(huán)境參數(shù)，并基于無線方式實現(xiàn)與分站之間的數(shù)據(jù)傳輸。硐室中同樣設(shè)置監(jiān)控裝置，以便查看掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)。地面監(jiān)控中心主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)視器等，可以將井下傳輸獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時呈現(xiàn)并存儲到服務(wù)器中，以便后期調(diào)取查看。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理模塊結(jié)構(gòu)見圖3。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集及其處理模塊是最為關(guān)鍵和核心的部分，用于檢測掘進(jìn)機(jī)的運行數(shù)據(jù)信息以及環(huán)境參數(shù)等。使用的傳感器主要包括傾角傳感器、位移傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和瓦斯傳感器等。傳感器檢測得到的均屬于模擬量信號，需要通過模擬量采集信號調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，才能輸入MCU微處理器中進(jìn)行分析和處理[6]。微處理器還需要與聲光報警模塊、接口模塊、顯示器和電源模塊等進(jìn)行連接。車載顯示器的作用是方便操作人員掌握設(shè)備的運行狀態(tài)；聲光報警模塊的作用是確保出現(xiàn)故障問題或安全隱患時能向外發(fā)出信息，提示工作人員；電源模塊的作用是為整個數(shù)據(jù)采集處理模塊提供電源支持。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖

3 主要硬件設(shè)施的選型設(shè)計

3.1 MCU微處理器

結(jié)合實際情況，本監(jiān)控系統(tǒng)選用的MCU微處理器型號為STM32L0，該型號微處理器在很多工業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，表現(xiàn)出很好的運行穩(wěn)定性，性價比相對較高。運行過程中的功耗相對較低、性能較好，芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了大量的資源，在軟件程序編寫時可以提供很大的便利，正常工作時CPU的工作頻率超過72 MHz，完全能夠滿足本系統(tǒng)的實際使用需求。

STM32L0型微處理器具有豐富的I/O接口，可以通過多種形式與其他硬件設(shè)施進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。不僅能滿足系統(tǒng)現(xiàn)在的需要，也能滿足系統(tǒng)后續(xù)的拓展性需求。為了提升微處理器運行的穩(wěn)定性，所有的數(shù)據(jù)信號在輸入和輸出時需要利用光耦電路對其進(jìn)行隔離，以達(dá)到對微處理器進(jìn)行保護(hù)的目的。圖4為數(shù)據(jù)信號輸出模塊光耦隔離電路原理圖。

圖4 輸出模塊光耦隔離電路原理圖

3.2 無線傳輸芯片的選型

本文設(shè)計的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與其他監(jiān)控系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，井下部分采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以提升數(shù)據(jù)傳輸過程的便捷性和可靠性。具體而言，使用Zigbee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。目前市場上能實現(xiàn)上述技術(shù)的芯片有多種類型，通過對不同類型芯片進(jìn)行對比分析，最終選擇的芯片型號為CC2430。該芯片基于Zigbee協(xié)議棧實現(xiàn)無線信號傳輸，芯片高度集成，內(nèi)部包含RF收發(fā)模塊、數(shù)字處理器、存儲器等多種硬件設(shè)施。實踐經(jīng)驗表明，該芯片工作時功耗相對較低，內(nèi)部設(shè)置不同的工作模式，可以充分結(jié)合實際情況選擇最適合的模式，數(shù)據(jù)信號傳輸過程非常穩(wěn)定和可靠。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用分析

將礦用掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中，并開展實驗工作，見圖5。監(jiān)控系統(tǒng)可以對掘進(jìn)機(jī)運行中的各種狀態(tài)信息參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行采集、處理，并將采集得到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)轿挥诘孛娴谋O(jiān)控中心，工作人員可實時查看井下掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。

圖5 實驗系統(tǒng)布置及井下巷道基本情況

測試期間，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的截割部振動狀態(tài)出現(xiàn)了異常情況，系統(tǒng)向外發(fā)出聲光警報后，工作人員及時對故障問題進(jìn)行了排查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動異常的根本原因為截割部工作時遇到了硬度相對較高的煤巖，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)油箱軸銷脫位松動。排除故障后，系統(tǒng)警報解除。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能有效保障掘進(jìn)機(jī)的運行可靠性以及安全性。系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運行中存在的小隱患、小故障，避免引發(fā)更加嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，為延長設(shè)備使用壽命、提升煤礦開采效率奠定了堅實的基礎(chǔ)。通過實踐測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的各項功能均達(dá)到了預(yù)期效果，且在測試期間性能非常穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的故障，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。