綜采工作面刮板輸送機監控系統研究

高志勇

(西山煤電西銘礦綜采三隊，山西 太原 030052)

0 引言

隨著我國煤炭綜采技術的飛速發展，采煤機、刮板輸送機和液壓支架等綜采設備已經逐漸完成了國產替代進口，我國超大采高智能化綜采技術和設備已經走在世界前列。目前國產刮板輸送機朝著大功率、智能化的方向發展，研究人員和企業致力于提高其輸送能力與安全運行水平。在線監測刮板輸送機的運行參數，為其狀態評估和故障診斷奠定基礎，能夠提高綜采工作面刮板輸送機的安全性和可靠性，提高煤礦生產的自動化水平。為此，本文對刮板輸送機監控系統進行了研究。

1 國內外研究與應用現狀

20世紀60年代開始，法國、西德和美國先后研發了煤礦監控系統并應用于實際生產中，目前國外許多公司針對自己生產的煤礦綜采設備都研發了相配套的監控系統。國外對于鏈條自動張緊主要有三種技術路線，分別基于電動機功率、機頭下鏈懸垂量、機尾推移油缸壓力確定鏈條張力監控技術。我國的相關研究起步于20世紀80年代以后，吸收國外發展經驗，結合自身發展情況開發了許多煤礦井下監控系統，而鏈條自動張緊技術目前仍停留在現場調試階段，還未實際應用。

2 系統功能與技術指標

2.1 系統功能

本文研究的刮板輸送機監控系統可分為井上和井下兩部分：井上部分主要指上位機；井下部分包括機頭監控分站兩臺(分別配置在機頭前部和后部)、機尾監控分站兩臺(分別配置在機尾前部和后部)，如果需要對轉載機和破碎機也進行監控，則包括擴展后的破碎機分站和轉載機分站。監控分站的功能是對電動機、減速器等被監控設備的運行數據進行采集、顯示和存儲，并將相關信息通過通信接口向上位機發送，如果數據異常則發出相應的報警信息。上位機接收到分站發回的數據后進行數據處理和故障診斷，實現刮板輸送機的遠程監控。

2.2 技術指標

本系統適用于煤礦井下工作環境，其技術指標滿足本安型電氣設備的基本要求。裝置的工作環境為溫度大于攝氏0℃且小于40℃、相對濕度不大于95%的瓦斯和煤塵等氣體環境，不包括破壞絕緣的腐蝕性氣體環境。兩組本安參數為：輸出電壓24 VDC，電流0.3 A；輸出電壓12 VDC，電流1.5 A。模擬量輸入結構有12路溫度傳感器接口、12路電壓(或電流)傳感器接口，電流輸入范圍為4 mA～20 mA，電壓輸入范圍1 V～5 V。2路數字量輸入接口，6路數字量輸出接口,1路RS485接口。

3 監測位置選擇

經過對刮板輸送機常見故障的分析，發現其故障集中在電動機、減速器和液力耦合器等部件，因此確定了電動機、減速器和液力耦合器為監測點：①電動機經常出現故障的部位有繞組、軸承，如果局部溫度過高則容易燒毀繞組線圈和軸承，因此確定監測繞組溫度、前軸承溫度和后軸承溫度，為了控制鏈條張緊力以及對其故障進行診斷，還應當監測電壓和電流；②減速器是傳遞電機轉矩的傳動裝置，常見的故障包括溫度過高引起的軸承故障和潤滑油故障，潤滑油故障會造成減速器齒輪和軸承磨損，因此確定減速器的檢測點為高速軸承溫度、低速軸承溫度和潤滑油溫度；③液力耦合器將電機的轉矩傳送給減速器，其主要故障為打滑，如果出現打滑則容易造成液力耦合器損壞，進而引起刮板輸送機故障和影響采煤效率，因此確定監測液力耦合器的輸入、輸出轉速。

4 系統總體設計方案

4.1 硬件設計方案

硬件電路是實現監控和故障診斷功能的基礎，設計中要考慮功能、實用性和成本等因素，圖1為監控系統硬件總體結構圖，分為配套傳感器電路、監控裝置內部電路和外部通信接口電路三部分。配套傳感器電路有轉速傳感器、溫度傳感器、油位傳感器、流量傳感器和壓力傳感器。監控裝置內部電路有以STM32F103控制器為核心的控制電路、信號調理電路、RS485通信電路、CAN通信電路以及鍵盤、聲光、顯示屏等人機交互電路。外部通信接口有兩路主從站RS485通信接口、上位機CAN通信接口等。

圖1 監控系統硬件總體結構圖

鏈條張緊力控制是監控系統的重要功能，圖2為其控制電路圖。圖2中，電磁閥的作用是控制液壓油缸的伸縮，進而實現鏈條的張力控制；U19為反相器，能夠增加控制器I/O口的驅動能力；U11為功率放大芯片，實現控制信號對電磁閥的控制。

圖2 鏈條張力控制電路圖

4.2 軟件設計方案

軟件是系統采集、通信和控制等功能協調運行的核心，圖3為監控系統軟件總體結構圖。軟件采用模塊化思想進行設計，針對信號的采集、控制、顯示、通信分別設計了AD采集子程序、鏈條張緊力控制子程序、顯示屏子程序和主站分站通信子程序。所有程序采用C語言編寫，選擇Keil u Vision5作為程序開發環境。Keil可在程序編寫過程中進行在線調試和仿真，其應用十分便捷。

圖3 監控系統軟件總體結構圖

圖4為監控系統鏈條張緊子程序流程圖。由于輸送機煤量不同時鏈條的松緊程度不同，鏈條張緊子程序采用多變量多模式控制，分為手動模式和自動模式，手動模式控制伸縮油缸動作；自動模式對機尾液壓壓力和行程、運行電流和采煤機位置等信息進行綜合判斷，然后進行相應控制。

圖4 鏈條張緊子程序流程圖

5 應用效果分析

將刮板輸送機監控系統應用于煤礦井下測試一段時間后，取得了一系列試驗數據。圖5為某電機繞組溫度實測值與理論值對比圖，通過曲線擬合發現二者十分接近，說明PT100熱電阻傳感器電路真實反映了現場繞組溫度。實際運行過程中，監控系統也暴露了一些應用問題，諸如通信數據傳輸不穩定、安裝形式不便利和脈沖信號采集精度不夠等。通過分析通信不穩定原因為井下各設備啟動后造成電磁環境復雜，可能對數據傳輸線路干擾，在后續工作中可通過結構優化和改進安裝形式來解決。液力耦合器的轉速是通過接近型轉速傳感器獲得的，這種傳感器輸出的是脈沖信號，其脈沖數可能存在偏差，后續工作中可利用信號發生器進行可靠性論證，確定接近型轉速傳感器的最佳安裝位置，以期改善測量脈沖精度。

圖5 監控系統實測溫度與理論溫度對比

6 結束語

目前我國綜采工作面設備的監控和故障診斷技術還處于發展階段，相關產品功能還存在空白。綜采工作面刮板輸送機監控系統由井上上位機和井下分站構成，能夠實時監測電動機、減速器和液力耦合器等關鍵部件的溫度、電壓、電流等參數，并在數據異常時發出警報，觸發保護動作，避免事故擴大，有效地提高了煤礦生產的安全性，其技術研究和生產應用具有重要意義。