煤礦刮板輸送機(jī)作業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

薛曉杰

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司木瓜煤礦，山西 方山 033199）

1 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

通過查閱相關(guān)資料，結(jié)合當(dāng)前刮板輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，可知輸送機(jī)雖逐步在向自動(dòng)化及智能化領(lǐng)域發(fā)展，部分設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了自身的部分自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但在使用中仍存在較多問題，主要分析了如下幾點(diǎn)：

1）當(dāng)前所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)部分參數(shù)的就地監(jiān)控，無法將采集數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端的控制中心，也未與整個(gè)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成化一體統(tǒng)一設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程管理[1-3]；

2）由于井下環(huán)境的相對(duì)復(fù)雜，所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在較大信號(hào)干擾，且所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性也相對(duì)較差，極容易出現(xiàn)信息誤報(bào)問題；

3）設(shè)備控制系統(tǒng)所使用的檢測(cè)儀器的使用壽命較短，井下抗爆性較差，所采集的數(shù)據(jù)大多都是通過傳統(tǒng)的基頻方式進(jìn)行傳輸，存在信號(hào)傳輸速度較慢、信號(hào)失真等問題[4]；

4）設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)大多能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示，但存在采集及分析處理數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)保存、顯示界面內(nèi)容無法調(diào)整的問題，同時(shí)，人員無法通過顯示屏對(duì)設(shè)備的安全控制功能進(jìn)行操作控制[5]。

為此，有必要以現(xiàn)有的刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)刮板輸送機(jī)的自動(dòng)化控制水平。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前刮板輸送機(jī)中監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，開展了系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)包括了采集模塊、監(jiān)控分站、傳輸模塊、監(jiān)控總站、顯示界面等部分，采集模塊主要包括電動(dòng)機(jī)功率傳感器、減速器速度傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)采集[6]。系統(tǒng)處理器則采用了西門子的S7-300控制器，可將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，經(jīng)過內(nèi)部的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、判斷和處理；處理后的信號(hào)傳輸至監(jiān)控分站進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示等，若設(shè)備發(fā)生相應(yīng)的故障現(xiàn)象，則該監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警提示。整套系統(tǒng)包括了電源電路、通訊接口電路、保護(hù)電路等部分，輸出電壓選用了DC24V/12V，內(nèi)部信號(hào)則主要通過RS485接口和CAN總線接口進(jìn)行傳輸，傳輸網(wǎng)絡(luò)則是依靠光纖環(huán)網(wǎng)。同時(shí)，在各分站處設(shè)置了一個(gè)外接數(shù)據(jù)接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。另外，選用了KC01-70T型顯示屏，刮板輸送機(jī)的各類監(jiān)控參數(shù)將在此顯示屏中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

3.1 電源電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所采樣的電壓平臺(tái)除了采用AC220V電源，主要給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。同時(shí)也采用了直流12 V和24 V電壓平臺(tái)，其中，24 V主要為溫度、油壓壓力等方面的傳感器進(jìn)行直流供電，而監(jiān)控系統(tǒng)的處理器及內(nèi)部運(yùn)行電路則主要采用了12 V電壓進(jìn)行供電。為保證整個(gè)系統(tǒng)的正常供電，采用了礦用本安直流電源轉(zhuǎn)換器，可將外界的AC220電源轉(zhuǎn)換為12 V和24 V電壓，監(jiān)控系統(tǒng)中的電源電路圖如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)電源內(nèi)部電路的有效隔離，匹配了電源隔離模塊，可將電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)理的電源供電，圖2中的U1、U2、U3、則為選用的電源隔離模塊。另外，為防止電源出現(xiàn)反接，降低對(duì)其他部件的損壞，電路中設(shè)計(jì)了D1、D2二極管。

圖2 電源電路電路圖

3.2 通訊接口電路的設(shè)計(jì)

由于RS-232串行接口的傳輸速率高，可實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)20 m的信號(hào)傳輸，能夠保證刮板輸送機(jī)內(nèi)部采集單元之間的有效通訊，同時(shí)，能節(jié)約CPU更多的串口資源。為此，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊串行接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)中，將CPU的RX端與電路中U2的D1端進(jìn)行有效連接，控制鍵盤則主要與U2的S1A端進(jìn)行連接，顯示屏則與U2的S1B端進(jìn)行連接，當(dāng)S1B導(dǎo)通時(shí)，CPU的RX端則可實(shí)現(xiàn)與RS-232接口進(jìn)行連接。監(jiān)控系統(tǒng)通訊接口電路如圖3所示。

圖3 通訊接口電路圖

3.3 通信保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

由于井下環(huán)境的惡劣性，加上刮板輸送機(jī)經(jīng)常會(huì)超負(fù)荷運(yùn)行，極容易使其出現(xiàn)各類故障現(xiàn)象。為有效保護(hù)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一套通訊保護(hù)電路。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過流或過壓時(shí)，此保護(hù)電路即可啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非故障電路的快速屏蔽，以有效避免系統(tǒng)中其他電路出現(xiàn)故障損壞，保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。整個(gè)通訊保護(hù)電路圖如圖4所示。

圖4 通訊保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.4 顯示屏的選型設(shè)計(jì)

顯示屏是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，通過顯示屏，能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、異常報(bào)警信息、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄等操作，并能通過顯示界面對(duì)刮板輸送機(jī)相關(guān)的報(bào)警參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置、采集及處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存。為此，選用了KC01-70T型顯示屏，實(shí)物圖如圖5所示。該顯示屏為7寸的液晶顯示，設(shè)置有RS485、RS232及以太網(wǎng)等通訊接口，能實(shí)時(shí)接收各類通信協(xié)議傳遞的信號(hào)；同時(shí)，顯示器內(nèi)部則采用了Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可通過專門的編程軟件對(duì)顯示屏中的顯示內(nèi)容及數(shù)據(jù)進(jìn)行編寫及調(diào)整。

圖5 KC01-70T型顯示屏

4 監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果

在完成監(jiān)控系統(tǒng)的全面設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步掌握系統(tǒng)的綜合性能，對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了將近半年的應(yīng)用測(cè)試，主要將該監(jiān)控系統(tǒng)安裝在SGZ1000型刮板輸送機(jī)中。在運(yùn)行過程中，該監(jiān)控系統(tǒng)能全面地對(duì)設(shè)備的軸承溫度、油溫、液壓油流量、工作壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及數(shù)字化顯示，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況，執(zhí)行設(shè)備的綠色預(yù)警、紅色報(bào)警等不同等級(jí)提示，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)故障情況自動(dòng)進(jìn)行切斷。人員則可根據(jù)故障類型和發(fā)生位置及原因，有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修操作。同時(shí)，也將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)保存，根據(jù)需求形成相應(yīng)的歷史曲線。據(jù)人員介紹，該監(jiān)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使得刮板輸送機(jī)的故障發(fā)生率降低了50%左右，大大提高了設(shè)備的煤礦開采效率，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也明顯降低。監(jiān)控系統(tǒng)整體運(yùn)行情況達(dá)到了預(yù)期效果，得到了人員的一致認(rèn)可。監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行界面圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行界面圖