采煤機搖臂運行監測及故障預警系統設計與研究

劉計平

(山西柳林煤礦有限公司，山西 柳林 033300)

0 引言

采煤機作為井下煤礦開采的核心設備之一，在綜采生產中主要承擔落煤和裝煤的任務，其工作效率及運行穩定性對于井下煤礦開采效率至關重要。由于井下惡劣的工作環境，當采煤機遇到較大的沖擊負荷或長期重載運行等情況時，其截割部軸承、齒輪及滾筒等關鍵部件極易發生嚴重摩擦甚至損壞，從而嚴重影響采煤效率，甚至發生安全事故。而在眾多采煤機故障情況中，搖臂的故障率占比高達50%左右，因此針對采煤機搖臂進行健康狀態監測及故障預警診斷顯得尤為重要。

目前國內許多中小型煤礦針對采煤機搖臂的監測及故障預警診斷仍采用傳統的人工巡檢方法，不僅效率低下，而且會耗費大量人力。同時人工方式的檢修結果受人為因素影響較大，通常只能發現較為明顯的故障，因此需要通過更為智能的監測系統對采煤機搖臂進行自動化監測及全面故障預警診斷[1-4]。由于國內針對采煤機監測系統技術起步較晚，大部分系統的監測范圍不全面、故障預警及診斷水平低下，系統整體可靠性及功能性不夠理想。針對上述問題，本文設計了一套以STC單片機為控制核心的采煤機搖臂監測系統，并通過傳感器及總線通信技術實現較為全面的參數監測及故障位置的迅速確定，從而可有效降低采煤機的故障率。

1 搖臂運行監測系統總體方案設計

采煤機在井下惡劣的工作環境中長期重載運行，存在著搖臂極易發熱以及內部齒輪、軸承等重要部件磨損失效等問題，因此在確定監控系統總體方案之前，首先需要確定系統的監測對象及監測方案。首先針對搖臂發熱問題，需通過溫度傳感器對搖臂的油箱、齒輪箱、軸承、臂身等關鍵部位的溫度參數進行實時采集；其次針對搖臂內齒輪、軸承的磨損問題，可通過振動傳感器對上述部件的振動位移量進行監測。

根據上述對監測點及相應監測量的分析，本文采用分布式結構對監測系統進行架構，系統整體可分為井上監控層、下位機監控層和現場設備層，搖臂運行監測系統整體結構如圖1所示。

圖1 搖臂運行監測系統總體結構圖

由圖1可知，系統按照功能可大致劃分為上位機監控模塊、現場觸摸屏監測模塊、單片機控制模塊、運行參數采集模塊及電源模塊五大部分。上位機監控模塊的人機交互界面用于搖臂參數的實時顯示及相應控制、報警指令的下達，可通過CAN總線與下位機進行通信。現場監測模塊主要由現場觸摸屏構成，觸摸屏也可對運行參數實時顯示，同時現場工人可在井下通過觸摸屏根據顯示參數對系統標定參數、報警參數等進行設置，現場監測模塊采用Modbus協議通過RS-485與單片機控制核心進行通信。下位機監控層主要由兩個STC主控芯片和多路振動傳感器及溫度傳感器組成，其中兩個主控芯片分別位于采煤機搖臂的前臂和后臂，用于收集并處理采煤機前后搖臂的溫度及振動位移量數據。下位機監控系統原理框圖如圖2所示。

圖2 下位機監控系統原理框圖

由于溫度傳感器所采集的溫度數據需通過變送器轉換為幅值很小的電壓信號進行輸出，因此首先需要對該信號進行放大，然后經濾波等調理電路、A/D轉換電路處理后轉換為單片機可處理的輸入信號。而采煤機搖臂的振動位移量通常很小，因此由振動傳感器所采集的信號也需經過放大處理，同時為了保證信號傳輸的可靠性，還需將振動傳感器輸出的電流信號通過I/V調理電路轉換為電壓信號后再經A/D轉換模塊輸出至單片機輸入端。STC主控芯片在接收到搖臂運行數據后，通過預置報警程序判斷參數是否超限，如果超限就會進行報警操作，并通過Modbus協議將工況參數實時上傳至人機交互界面顯示。

2 硬件方案設計

本監測系統硬件主要由以下部分組成：①STC主控芯片，主要用于接收和處理來自傳感器的搖臂參數信號；②溫度及振動傳感器，用于現場搖臂參數的實時采集；③電源模塊，為主控芯片及傳感器供電。同時為了保證信號的可靠傳輸，整個系統的硬件電路主要包括信號放大電路及I/V轉換電路，系統A/D轉換模塊及通信接口均使用STC單片機內部集成的模塊。

結合以上對系統監控功能的分析，本系統的主控芯片選用IAP15W4K58S4-30型STC單片機，其內部具有38個I/O通用接口，具備8路10位模數轉換器和4個獨立異步串行通信端口UART，同時片內還集成6路PWM及7個具備預分頻功能的定時/計數器，可完全滿足本系統的端口數量、A/D轉換及串行通信等功能需求。

本文選用K型熱電偶對搖臂油箱、齒輪箱、軸承、臂身等關鍵部位進行溫度數據采集。K型熱電偶具有靈敏度較高、抗氧化能力強、性價比高等優點，其溫度測量范圍為0～300 ℃，為了保證輸出線性，其輸出信號為0～4 mV小電壓信號，需通過信號放大電路進行處理[5-7]。本文選用CYT9200型振動傳感器對搖臂齒輪、軸承等重要部件的振動速度進行實時采集，CYT9200的量程為0～50 mm/s，頻率響應為10 Hz～1 000 Hz，輸出信號為4 mA～20 mA電流信號，需通過I/V轉換電路進行處理后再輸入至單片機A/D模塊中。

本系統主控芯片內部A/D轉換模塊的輸入信號為0～5 V電壓信號，故振動傳感器所采集的4 mA～20 mA電流信號需通過I/V轉換電路進行處理[8]。本系統所設計的I/V轉換電路原理圖如圖3所示。

圖3 I/V轉換電路原理圖

圖3中的A1起到了射極跟隨器的作用，通過調節電位器R1可使其輸入基準電壓穩定為1 V。4 mA～20 mA電流信號經R3轉換為1 V～5 V電壓信號，再經差分放大電路最終輸出0～5 V電壓信號，最終輸入至STC單片機的A/D轉換模塊輸入端中。

本文選用OP07運算放大器對K型熱電偶信號放大電路進行設計，其電路原理圖如圖4所示。其中OP07起到了差分放大器的作用，兩個測溫及參考熱電偶分別用于測量搖臂關鍵部位溫度和環境溫度，測溫熱電偶上的溫度變化會轉換為電勢量經放大后輸出所需的電壓信號。

圖4 測溫放大電路原理圖

3 軟件方案設計

采煤機搖臂監測系統軟件主要分為下位機監測子系統和上位機交互子系統兩部分，其中下位機監測子系統主要功能包括運行參數采集、數據處理、A/D轉換、串口通信等；上位機子系統主要用于參數的實時顯示、傳感器等設備參數標定、報警參數設定等，系統軟件具體功能如圖5所示。

圖5 采煤機搖臂運行監測系統軟件功能圖

本監測系統主程序的功能是對采煤機搖臂上的多路傳感器信號進行循環采集與處理。系統初始化后首先判斷傳感器信號來自于前臂還是后臂，并打開測溫熱電偶開關和串口中斷進行數據收發，當采集完熱電偶冷端溫度補償參數后依次采集各傳感器的參數，最后檢測溫度傳感器無故障后斷開測溫熱電偶開關，主程序流程如圖6所示。

4 結束語

本文針對傳統采煤機搖臂監測系統的不足，以STC單片機為控制核心結合總線通信技術設計了一套監測參數全面、響應速度快、穩定性高的采煤機搖臂運行監測系統，可實現采煤機搖臂關鍵參數的實時監測與故障精準定位，保證了采煤機安全高效運行。

圖6 主程序流程圖