牛 勇

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

掘進機是煤礦井下綜采安全的核心，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和綜采經(jīng)濟性。采煤機在工作時，液壓系統(tǒng)驅(qū)動搖臂根據(jù)截割需求，不斷地調(diào)整綜采高度，使位于端部的截割機構(gòu)將煤炭從煤壁上截割下來。由于井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此采煤機在截割作業(yè)時作用在截割機構(gòu)上的截割阻力不斷發(fā)生變化，給搖臂和傳動系統(tǒng)造成極大的沖擊，導(dǎo)致?lián)u臂頻繁出現(xiàn)運行故障，而且搖臂傳動系統(tǒng)的平均使用壽命僅1.26 年，不僅嚴重影響了煤礦井下的綜采作業(yè)效率而且綜采截割經(jīng)濟性低、安全性差，無法滿足高效截割的作業(yè)需求。

結(jié)合采煤機運行安全需求，本文提出了一種新的采煤機搖臂截割安全監(jiān)測系統(tǒng)，綜合運輸多數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)、抗干擾數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，對采煤機搖臂運行時的關(guān)鍵參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)分析，實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的快速識別和預(yù)警，根據(jù)實際應(yīng)用表明，新的截割安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⒉擅簷C搖臂在運行過程中的故障率降低93.6%，將截割傳動系統(tǒng)使用壽命提升31.4%，對提升采煤機運行穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。

1 截割安全監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)采煤機井下綜采作業(yè)的實際需求，以滿足關(guān)鍵信息監(jiān)測、運行狀態(tài)監(jiān)控、故障識別及報警為核心，本文所提出了新的搖臂截割安全監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 截割安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該系統(tǒng)的核心為PLC 控制中心，采用了多點分布式的控制模式[2]。主要包括井上監(jiān)控中心、井下現(xiàn)場監(jiān)測以及采煤機信號采集三個部分。井上監(jiān)控中心是該控制系統(tǒng)的監(jiān)控終端，主要用于將井下的數(shù)據(jù)監(jiān)測信息顯示到監(jiān)測屏幕上，便于監(jiān)控人員及時了解采煤機搖臂的運行狀態(tài)，在必要的時候可以通過控制中心發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對搖臂運行狀態(tài)的遠程調(diào)控。井下監(jiān)測系統(tǒng)是該控制系統(tǒng)的核心，主要用于對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的匯總和處理，若其監(jiān)測數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)自動進行報警并對異常進行分析，確定其來源，為快速故障排除奠定基礎(chǔ)。信號采集屬于該系統(tǒng)的“眼睛”，主要是通過布置在采煤機搖臂上的各類傳感器對搖臂的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)骄卤O(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)。

該控制系統(tǒng)通過模塊化的設(shè)計，實現(xiàn)了多功能的快速集成，能夠根據(jù)監(jiān)測需求，靈活的調(diào)整監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足對井下采煤機監(jiān)測精確性的需求。

2 監(jiān)測控制邏輯

為了滿足截割監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，系統(tǒng)采用了以STC 單片機為核心的主控測試模式，實現(xiàn)對采煤機搖臂核心部件溫度、振動等信息的全面監(jiān)測，該系統(tǒng)的監(jiān)測控制邏輯如圖2 所示。

圖2 振動監(jiān)測系統(tǒng)邏輯圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)以RS485 通信協(xié)議為基礎(chǔ)，采用兩線制的通信模式[3]，可以實現(xiàn)多級同時通信，在進行溫度監(jiān)測時，采用了K 型熱電偶，其具有0～4 mV的數(shù)據(jù)信號輸出能力，靈敏度高、可靠性好。對搖臂運行過程中振動情況的監(jiān)測主要采用速度型振動傳感器，其輸出信號為0～20 mA，然后經(jīng)過電流信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸。

為了滿足控制系統(tǒng)的自檢功能，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了自檢控制邏輯，以對溫度傳感器運行狀態(tài)的監(jiān)測為例，當(dāng)傳感器失效時其監(jiān)測電流或者電壓信號會出現(xiàn)間斷或者大范圍的波動，因此系統(tǒng)對傳感器的監(jiān)測信號進行不間斷監(jiān)測，當(dāng)信號出現(xiàn)異常時進行及時報警，并確認異常原因，便于監(jiān)測人員及時進行故障排除。

3 溫度傳感器選型

對采煤機核心部件運行溫度的監(jiān)控是確定采煤機各核心部件是否運行穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此在采煤機的搖臂上設(shè)置了5 組溫度傳感器，通過單片機芯片對每個采樣點的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，為了進一步提升系統(tǒng)運行的節(jié)能性，在溫度傳感器狀態(tài)監(jiān)控中，采用了多路模擬信號進行通道切換的方案[4]，系統(tǒng)將5 個監(jiān)測點的監(jiān)測信號通過A/D 轉(zhuǎn)換器進行信號轉(zhuǎn)換，然后傳輸?shù)娇刂浦行膬?nèi)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳遞，傳感器信號采集邏輯如圖3 所示。

圖3 傳感器信號采集邏輯示意圖

由于井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣，因此對傳感器的工作精度和穩(wěn)定性要求較高，在對多種傳感器的工作情況進行分析后，最終選擇了K 型熱電偶作為監(jiān)測時的溫度傳感器，其具有靈敏度高、抗干擾能力強的優(yōu)點，采用了1.3 mm 的熱電偶絲，輸出形式采用兩線制，輸出信號范圍在0～4 mV，靈敏度為4.1 mV/100 ℃，完全能夠滿足井下對采煤機搖臂運行時溫度變化的精確監(jiān)測。

4 軟件控制邏輯

為了滿足通信控制，開發(fā)了全新的軟件控制邏輯，包括下位機軟件測試系統(tǒng)和上位機觸摸屏管理系統(tǒng)兩個部分，邏輯控制簡單、控制層次少，能夠?qū)崿F(xiàn)對截割監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測和處理，滿足監(jiān)測及時性和可靠性的需求，該軟件控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖4 所示[5]。

圖4 軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 應(yīng)用情況分析

為了對該搖臂截割監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行對比，對采煤機的截割控制系統(tǒng)進行升級改造，在相同的工況下進行截割測試，結(jié)果表明，采用新系統(tǒng)后，采煤機截割作業(yè)過程中的平均故障次數(shù)由最初的27.4次/月，降低到了目前的1.754 次/月，平均故障率降低了93.6%。截割傳動系統(tǒng)的平均使用壽命提升了31.4%，顯著的提升了采煤機搖臂的工作穩(wěn)定性和使用壽命，該搖臂截割控制系統(tǒng)的界面如圖5 所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)界面示意圖

6 結(jié)論

1）該監(jiān)控系統(tǒng)的核心為PLC 控制中心，采用了多點分布式的控制模式，能夠滿足關(guān)鍵信息監(jiān)測、運行狀態(tài)監(jiān)控、故障識別及報警需求；

2）監(jiān)測系統(tǒng)采用了以STC 單片機為核心的主控測試模式，實現(xiàn)對采煤機搖臂核心部件溫度、振動等信息的全面監(jiān)測；

3）軟件控制系統(tǒng)包括了下位機軟件測試系統(tǒng)和上位機觸摸屏管理系統(tǒng)兩個部分，邏輯控制簡單、控制層次少，控制靈敏性高；

4）新的截割安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⒉擅簷C搖臂在運行過程中的故障率降低93.6%，將截割傳動系統(tǒng)使用壽命提升31.4%，對提升采煤機運行穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。