掘進設備遠程監測系統設計與應用

甄智強

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西大同 037000）

0 引言

掘進工作作為綜合機械化采煤的前序工作，關系著煤礦生產的質量和效率[1-2]。在實際生產過程中，掘進設備所在工作面環境比較惡劣，溫度高、煤塵濃度大，電磁干擾也較多，掘進設備比較容易發生故障。掘進機常見的故障有：截割電機由于負荷過大電流超載引起溫度過高造成的電機停轉或者電機燒壞；長期工作磨損或者操作不當引起的減速機的機械結構例如花鍵、軸承、齒輪發生斷裂；液壓油泵或者電機損壞造成液壓油壓力異常引起運輸機部動作異常；供水異常或者噴霧泵損壞造成噴霧系統異常[3-6]。掘進設備故障將會極大拖延掘進工作進度，且掘進工作面內進行檢修相對不便，將會極大損害煤礦生產效益，甚至可能影響生產人員安全。為了保證掘進工作的順利進行，需要對掘進設備的運行狀態進行監測，在發生故障時可以提前預警，較快做出檢修反應，保障設備安全穩定運行，同時保護工人安全，提高煤礦生產的自動化水平，減少工人工作量，為企業增加經濟效益。

1 總體方案

掘進設備作為煤礦生產的大型設備之一，涉及電氣、液壓、機械等部分，目前煤礦生產中較為常用的是懸臂式掘進機[7-8]。掘進裝置的監測主要針對掘進設備的重要部件如電機、泵、電氣設備等。

監測系統針對各結構單元進行監測，主要結構包括現場以MCU（微處理器）為核心的智能采集監測層和井上遠程監測中心層。智能監測層包括傳感器部分、信號采集調理電路、MCU、聲光報警器、LCD顯示模塊和網絡接口電路等。能夠完成對各設備結構狀態數據的實時采集、變換、處理、根據結果執行聲光報警，并將處理結果傳輸給遠程監測中心工控機進行數據顯示、儲存、分析。遠程監測中心則由一臺工業控制計算機和顯示器組成，可對經由通信網絡而來的數據及處理結果進行顯示、儲存、進一步分析統計。通信網絡則依據工業現場總線技術進行構建，保障系統可靠性和穩定性。系統的整體結構如圖1所示。

圖1 監測系統的整體結構

2 監測系統設計

綜合考慮掘進機工作原理以及實際生產情況對掘進設備的關鍵部件進行了監測模塊層設計。分別選用電流傳感器、傾角傳感器、壓力傳感器、振動傳感器和瓦斯傳感器等對布置在監測點反映設備運行狀態參數進行實時地檢測，由數據采集調理電路進行采集、放大、濾波、轉換并且傳輸給數據處理單元MCU，由MCU內嵌程序對結構的狀態參數進行判斷，決定執行聲光報警與否。監測模塊不僅將異常數據判斷結果反饋給顯示屏決進行可視化呈現，還將具體數據實時傳輸給遠程監測中心工控機。操作人員可根據監測結論對掘進運行檢修工作進行調整，保障設備安全穩定運轉。

2.1 硬件分析選型

監測系統主要硬件設備包括各種傳感器、微處理器（MCU）、遠程工控機、通信線纜、電路板、電源等。MCU選擇ST（意法）公司設計生產的微處理器STM32 L0系列超低功耗MCU，擁有64 kB閃存、8 kB RAM，采用64引腳封裝。瓦斯濃度傳感器選擇山東中煤工礦集團生產制造的GJC4型煤礦用低濃度甲烷傳感器，能夠實現將井下工作環境中的CH4濃度轉變為電流信號輸送給數據采集處理設備，具有結構簡單、實用性能可靠的特點。振動傳感器則選擇蘭德科技生產的BZ11壓電式加速度振動傳感器，利用壓電晶體的正壓電效應轉換原理制成。該傳感器穩定性好，抗干擾能力強，適用于煤礦生產環境。

2.2 狀態監測模塊設計

系統監測包括對工作環境的瓦斯（甲烷）濃度監測、溫度監測、濕度監測和掘進設備各部件結構的監測。液壓系統監測分別利用溫度傳感器、壓力傳感器對油缸的液壓油溫、油壓進行檢測，實現液壓油溫、油壓判斷液壓系統狀態評估，當油溫過高或壓力異常時發出警告；此外針對液壓電機進行電流電壓監測。

截割系統監測包括對截割電機的電壓、電流情況的監測、繞組溫度的監測，以及利用加速度傳感器對傳動軸、截割減速器機械振動的檢測監控。噴霧系統監測針對外部供水流量、水泵液壓馬達壓力進行監測。此外還對行走部、裝載部、運輸部的液壓馬達的壓力監測，對設備本體部進行振動監測以及機身傾角監測。狀態監測模塊的結構如圖2所示。

圖2 狀態監測模塊結構

2.3 通信網絡結構設計

利用現場總線技術并結合設備情況對遠程監測系統通訊結構進行了設計。MCU通過8個數據管腳實現與1602顯示屏的數據傳遞，通過RS、RW、EN3個管腳實現對LCD屏的控制。MCU與遠程監測中心工控機利用RS-485串口通信連接，利用USB接口和USB/RS-485轉換器實現遠距離抗干擾傳輸。傳感器采集狀態信息通過外設的的數據采集調理電路實現與MCU數據對接，選用的MCU自帶12路ADC，可實現模擬量與數字量的轉換。STM32L0與LCD1602之間連接如圖3所示。

圖4 系統數據處理模塊流程

圖3 LCD1602與STM32連接圖

3 軟件程序設計

為了實現對系統采集數據的轉化、計算處理以及傳輸，需對監測系統的核心處理器進行軟件編程。針對系統選用的STM32 MCU，選擇廣泛應用于ARM內核MCU開發的Keil微控制器軟件開發平臺。Keil平臺提供了功能較為強大的開發環境（uvision），是一個集成了C語言編譯器、宏匯編語言以及連接器、庫管理、仿真調試器的整體開發方案。且Keil for ARM的界面和VC++的界面十分相似，界面比較友好，應用廣泛、方便工程人員學習使用，可同時完成程序調試、軟件仿真方面的工作。系統數據處理模塊一般流程如圖4所示。

4 實際應用

對監測系統進行實際應用，實踐表明，系統可實現對結構的狀態參數的自動采集、處理、故障聲光報警等功能。可遠程對環境參數、運行參數溫濕度、瓦斯濃度、振動值、壓力、傾角進行顯示監測。在使用過程中發生截割部振動值異常報警，操作人員停機檢查，發現振動異常由截割頭部遇到硬巖石作業引起回轉油箱軸銷脫位松動引發，經過檢修及時排除了隱患，避免了更大損失；在設備液壓系統電機溫度過高時系統也提前發了出聲光報警；表明系統可以及時給予運行人員準確提示，保護設備及人員安全。

5 結束語

本文結合相關資料以及生產實際情況研究并設計了一套針對煤礦掘進設備的遠程監測系統，系統主要實現對掘進機運行環境及主要設備的遠程動態監測，同時在發生故障時能夠實現預警。經過現場運行測試表明，系統可較好地完成預期目的，可對監測結果進行顯示、計算、儲存，自動對運行情況正常與否進行判斷和報警，且具有實時性好、可視化、自動化程度高等特點，能夠有效保障掘進設備安全正常，提高掘進工作穩定可靠性，保護工人安全，為企業增加經濟效益。