采煤機變頻器安全預警系統設計與應用研究

鄭寶峰

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

0 引言

采煤機是煤炭開采的關鍵設備，對其工作的可靠性要求較高。變頻器作為采煤機的重要組成部分，是采煤機安全和高效生產的重要保障，必須引起高度重視[1,2]。變頻器長期工作于高溫潮濕環境中，極易出現問題，影響采煤工作面的正常工作[3]。近年來，隨著科學技術的飛速發展，安全預警系統在各行各業的應用越來越廣泛，并取得了很好的應用效果[4,5]。為了滿足采煤機變頻器高可靠性的要求，開發一套安全預警系統對實現變頻器運行情況的實時監測以及全壽命周期的跟蹤記錄、提高采煤機工作的效率和企業的煤炭產能具有重要的意義。

1 采煤機變頻器常見故障

采煤機變頻器長期處于井下，工況復雜多變、環境溫度高、周圍空氣濕度大，使其經常出現各種故障。變頻器常見故障包括振動損壞、過壓過流、短路過熱[6]。其中變頻器振動損壞的主要原因是變頻調速時電機存在速度的變化，伴隨著振動強度的變化，在某個時刻會產生共振，導致變頻器損壞；變頻器過壓過流是指中間直流回路的電壓和電流超過了額定值，過壓過流時間較長會導致電路出現故障，降低絕緣性能，甚至燒毀電機或者爆炸；變頻器短路過熱主要是由于內部各電子元件工作過程中發熱，高速、高頻時極為明顯，加之工作環境溫度較高，極易引起電子元件損毀。采煤機變頻器運行過程常見故障中發熱與振動問題極為突出，對采煤機變頻器的影響較為嚴重。

2 采煤機變頻器安全預警系統設計

2.1 總體方案設計

圖1為設計的采煤機變頻器安全預警系統總體方案。采煤機變頻器安全預警系統核心控制部件采用CPU單片機，能夠滿足變頻器工作溫度以及振動情況的實時監測和數據采集，通過對采集得到的數據進行分析，以確定變頻器是否出現故障，一旦出現故障即發出聲光報警信號。主控CPU能夠直接連接變頻器的傳感器，實現數據信息的發送和接收。主控CPU與上位機界面之間采用RS-485通信接口，完成數據的實時傳輸，顯示變頻器的實際運行狀況。為了保證系統工作過程中的穩定性，為主控CPU以及上位機觸摸屏設置獨立的供電電源。系統配置有井上遠程監控接口，能夠將觸摸屏接收得到的變頻器數據進行同步顯示，實現采煤機變頻器井上、井下雙監控模式，提高變頻器安全預警系統的安全性與可靠性。

圖1 采煤機變頻器安全預警系統總體方案

2.2 系統硬件設計

2.2.1 單片機選型

單片機作為采煤機變頻器安全預警系統的核心部件，要求其能夠準確監測變頻器的溫度和振動情況，溫度檢測滿足-20 ℃～100 ℃，振動檢測以電機實際情況為準；能夠可靠地采集傳感器的信號數據，經分析處理之后將其傳輸至上位機進行顯示。綜合考慮單片機性能參數以及購買成本等因素，選擇型號為STC15W4K58S4的STC系列單片機，內部時鐘信號的精度不大于1%，外圍電路簡單，內部嵌入較多的模塊，配置多達8路的數模轉換器、6個PWM、5個定時/計數器，具有很高的性價比，能夠滿足系統的設計要求。

2.2.2 傳感器選型

傳感器作為采煤機變頻器安全預警系統數據采集的重要器件，直接關系著系統的穩定性和準確性。此處傳感器的主要作用是完成采煤機變頻器溫度及振動情況的檢測，綜合考慮傳感器的性能及應用環境，選擇K型熱電偶作為系統溫度數據采集傳感器，其主要的技術參數如下：溫度范圍為0 ℃～200 ℃、精度為1.1 ℃、信號輸出形式為雙線制、信號類型為電壓(0 mV～4 mV)、靈敏度為4.19 mV/100 ℃。所選振動傳感器的型號為HANSFORD，具有集成程度高、反應靈敏、防爆性能好等優點，振動信號輸出形式為響應頻率(2 Hz～10 kHz)、精度為100 mV/g、量程為±80g。

2.2.3 通信模塊設計

采煤機變頻器安全預警系統的通信模塊選用RS-485總線，配置型號為SN75176的芯片為其進行收發信號。系統使用RS-485總線，設置了SN75176芯片電平信號值，發送信號時DE信號電平為“1”，確保該通道有信號傳輸時其他信號不能進入，避免出現干擾等問題；當該通道信號輸出完成之后，要求SN75176芯片控制端的DE信號電平為“0”，處于接收狀態。

2.2.4 聲光報警模塊設計

聲光報警電路的主要功能是當檢測到變頻器溫度及振動信號數值超出設定值時，系統會自動啟動聲光報警模塊，發出報警聲響及警號指示，告知相關工作人員進行檢測，避免出現變頻器故障。根據采煤機變頻器安全預警系統的功能要求和應用環境，選擇了本安型煤礦專用聲光報警器。為了保證報警器具有較強的輸出驅動性能，聲光報警器的驅動選擇了型號為8050的NPN型三極管。當聲光報警系統被觸發時，三極管處于飽和狀態，系統發出聲響報警的同時也會觸發報警指示燈，發出雙重報警信號。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 主程序設計

安全預警系統主程序運行之前需要對串口通信、數模轉換模塊、定時器配置等進行初始化，之后是分機號的識別與判斷階段，進行工作分機號的準確性判定。然后啟動檢測開關，通過變頻器傳感器即可采集得到相應的溫度和振動信號，借助8位的TTL通信，將采集得到的數據緩存在單片機外置的XRAM中。主控CPU工作過程中通過Modbus協議與觸摸屏進行數據的相互傳輸，并將變頻器的溫度和振動數據顯示在觸摸屏中。安全預警系統主程序流程如圖2所示。

圖2 安全預警系統主程序流程

2.3.2 數據采集程序

數據采集作為安全預警系統的核心工作，要求其能夠實時采集得到變頻器的溫度和振動數據，為了提高數據采集的準確性，設計了多通道模式選擇開關以實現輪詢采集變頻器數據。主控CPU能夠同時完成8路溫度數據和8路振動數據的實時采集，數據采集時首先檢測各路傳感器的工作狀態，之后確定數據采集的通道，完成數據采集之后依次進行數據的處理，分通道完成數據的緩存，以便傳輸至觸摸屏進行顯示。所需數據全部采集完成之后返回程序的入口，退出數據采集程序。為了保證溫度數據的檢測準確度，數據處理過程中采用了16次累加求和處理方法。溫度數據采集程序流程如圖3所示。

圖3 溫度數據采集程序流程

振動數據的采集過程中通常包含了環境噪聲、干擾等非目標因素，使得最終顯示在觸摸屏中的振動數據并非變頻器的真實數據，因此在數據處理時需要進行干擾信號的消除，從而提高振動數據的準確度。安全預警系統采用均方差平方累加求和的方法對變頻器振動信號進行處理，消除了干擾信號。具體的處理過程是計算振動信號均值，將所采集數據與均值做差，以此消除振動信號中的干擾因素，之后得到的變頻器振動信號數據即可準確體現真實的振動情況。

2.3.3 控制界面設計

控制界面作為安全預警系統人機交互的窗口，必須能夠滿足工作人員的要求，基于此完成了控制界面的設計，主要包括監控界面、操作說明和關于我們等三部分，如圖4所示。系統得電時，可以進入標定系統進行傳感器的標定與測試工作，完成使用次數的設定；之后點擊開始按鈕進行系統操控，進入系統監測界面，即可顯示16路的溫度和振動傳感器采集得到的實時數據，并以曲線的形式保存在系統后臺。

圖4 安全預警系統控制界面

3 應用效果評價

為了驗證采煤機變頻器安全預警系統的設計效果，將其應用于某煤礦企業進行測試。為期半年的跟蹤記錄表明，安全預警系統工作穩定可靠，滿足采煤機變頻器溫度和振動數據采集及監視功能要求。相較于未安裝安全預警系統之前，因發熱和振動引起的故障停機維修時間降低了近24%，預計可為企業節省近12萬/年的設備維修費用，產生經濟效益近200萬/年，取得了很好的應用效果。

4 結語

采煤機變頻器對于采煤工作的順利開展具有重要的影響，必須引起高度重視。針對采煤機變頻器工作過程中的發熱和振動問題，設計了安全預緊系統，包括系統硬件、軟件、控制界面等。應用結果表明：安全預警系統工作穩定可靠，能夠滿足變頻器工作狀態的監視要求。