刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分站設(shè)計

劉晶， 劉宗偉， 雷志鵬， 吝伶艷， 宋建成， 曹保林， 師理智

(1.太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室， 山西 太原 030024；2.山西維達機械制造有限公司， 山西 太原 030024)

刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分站設(shè)計

劉晶1， 劉宗偉1， 雷志鵬1， 吝伶艷1， 宋建成1， 曹保林2， 師理智2

(1.太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室， 山西 太原 030024；2.山西維達機械制造有限公司， 山西 太原 030024)

針對現(xiàn)有綜采工作面刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)量不全面，防爆型監(jiān)測主機體積大、安裝不便等問題，開發(fā)了一種刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，重點介紹了該系統(tǒng)監(jiān)測分站的軟硬件設(shè)計方案。該分站由CPU、數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊組成，可實現(xiàn)刮板輸送機驅(qū)動裝置運行工況監(jiān)測，并采用限矩器輸入和輸出轉(zhuǎn)速監(jiān)測方法實現(xiàn)了對刮板輸送機負載狀態(tài)的診斷。測試結(jié)果表明，該監(jiān)測分站硬件滿足本質(zhì)安全要求，數(shù)據(jù)監(jiān)測準確，通信狀態(tài)穩(wěn)定，負載狀態(tài)診斷方法合理有效。

煤炭開采； 綜采工作面； 刮板輸送機； 狀態(tài)監(jiān)測； 監(jiān)測分站； 本質(zhì)安全型

0 引言

刮板輸送機為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，承擔(dān)著井下運煤工作，并為采煤機提供運行軌道，為液壓支架提供推移支點。隨著煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展，刮板輸送機結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高，降低了煤炭開采成本，但也使得影響刮板輸送機運行的因素劇增，導(dǎo)致其發(fā)生故障或失效的潛在可能性也越來越大。刮板輸送機故障中，傳動部故障占80%[1]，因此，監(jiān)測刮板輸送機驅(qū)動設(shè)備(包括電動機、減速器)的工作狀態(tài)，對保證刮板輸送機的正常運行具有重要意義。

目前，國內(nèi)學(xué)者對刮板輸送機監(jiān)測研究取得了一定成果。如周繼功[1]設(shè)計了刮板輸送機減速器監(jiān)測儀；趙四海等[2]設(shè)計了可實現(xiàn)刮板輸送機電動機溫度、減速器高低速軸軸溫、大小油池油溫和油位監(jiān)測的刮板輸送機實時監(jiān)測系統(tǒng)；筆者所在實驗室[3]早期研發(fā)的綜采工作面運輸設(shè)備工況實時監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)等。上述監(jiān)測裝置都是基于PLC的防爆型設(shè)計，成本較高，體積較大，且監(jiān)測量不夠全面。許少毅等[4]提出了基于AVR單片機的刮板輸送機減速器監(jiān)測系統(tǒng)，但該系統(tǒng)只實現(xiàn)了減速器狀態(tài)監(jiān)測，缺少對電動機和限矩器轉(zhuǎn)速的監(jiān)測功能，監(jiān)測量不全面。

鑒于當前刮板輸送機監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展需求，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)成本低、體積小、功耗低、性能優(yōu)等優(yōu)勢，本文針對煤礦綜采工作面刮板輸送機常見故障，研究并開發(fā)了刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對刮板輸送機運行狀態(tài)的監(jiān)測和診斷。本文對該系統(tǒng)中的核心設(shè)備——監(jiān)測分站的設(shè)計進行闡述。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、監(jiān)測分站、井下集控中心、井下光纖環(huán)網(wǎng)、地面調(diào)度中心組成，如圖1所示。由于刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機和破碎機驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)相似，所以系統(tǒng)也可進行功能擴展，監(jiān)測轉(zhuǎn)載機和破碎機的運行狀態(tài)。

圖1 刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按最大容量考慮，系統(tǒng)分站包括前部刮板輸送機機頭監(jiān)測分站、前部刮板輸送機機尾監(jiān)測分站、后部刮板輸送機機頭監(jiān)測分站、后部刮板輸送機機尾監(jiān)測分站，以及系統(tǒng)擴展后的破碎機監(jiān)測分站和轉(zhuǎn)載機監(jiān)測分站，每個監(jiān)測分站內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同。實際使用中，可以將任一監(jiān)測分站設(shè)置為主站，實現(xiàn)各站之間的信息交互。

監(jiān)測分站的主要功能為就地顯示本監(jiān)測分站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)出預(yù)警和聲光報警信號，并記錄監(jiān)測和診斷數(shù)據(jù)[5-6]。監(jiān)測量包括減速器軸承溫度、轉(zhuǎn)速，潤滑油油位、溫度；電動機軸承和繞組溫度；冷卻系統(tǒng)冷卻水流量、壓力和溫度；限矩器輸入和輸出轉(zhuǎn)速等[7]。主站除了具有分站的所有功能外，還能夠監(jiān)測主站與分站之間的通信狀態(tài)，讀取分站數(shù)據(jù)，并將所有站的監(jiān)測信息發(fā)送到所有分站，實現(xiàn)各站數(shù)據(jù)交互，同時將所有站的監(jiān)測信息發(fā)送到集控中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

2 監(jiān)測分站硬件設(shè)計

根據(jù)本質(zhì)安全電路的設(shè)計原則[8]和刮板輸送機運行需求，系統(tǒng)監(jiān)測分站包括CPU、數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊，如圖2所示。其中CPU采用STM32單片機。

圖2 監(jiān)測分站硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括模擬信號采集電路和脈沖信號采集電路。

模擬信號主要是溫度、流量、壓力、油位信號，用溫度傳感器、流量變送器、壓力變送器等采集[3]。模擬信號采集電路包括電阻型信號調(diào)理電路(溫度信號調(diào)理電路)、電壓型信號調(diào)理電路、電流型信號調(diào)理電路及AD采集電路，采用信號隔離變壓器將本質(zhì)安全信號和非本質(zhì)安全信號隔離，使電路滿足本質(zhì)安全設(shè)計要求。由于模擬信號傳感器較多，而一般單片機的AD通道數(shù)無法滿足需求，所以監(jiān)測分站采用AD7918芯片采集模擬信號。1片AD7918可采集8路模擬信號，分站采用3片AD7918，可采集24路模擬信號，完全滿足現(xiàn)場對模擬信號采集數(shù)量的要求。

脈沖信號采集電路對速度傳感器的輸出脈沖進行捕獲，從而判斷限矩器是否打滑。采用STM32內(nèi)部的定時器采集脈沖信號。脈沖信號采集電路采用光電耦合器將本質(zhì)安全信號和非本質(zhì)安全信號隔離，使其滿足本質(zhì)安全設(shè)計要求。

2.2 通信模塊

通信模塊包括內(nèi)部通信電路、外部通信電路、通信保護電路。內(nèi)部通信電路實現(xiàn)CPU與人機界面、鍵盤之間的通信，采用RS232通信方式。外部通信電路指分站之間及總站與上位機之間的通信電路，其中分站之間采用RS485通信方式，總站與上位機之間采用CAN總線通信方式[9]。

2.2.1 內(nèi)部通信電路

CPU將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在人機界面上。用戶使用鍵盤給CPU發(fā)送指令，CPU發(fā)出相應(yīng)指令控制人機界面。

考慮到RS232通信(由1條發(fā)送線TX、1條接收線RX及1條地線組成)能將串口的接收信號和發(fā)送信號分開，而鍵盤只需占用CPU串口的RX端，為了節(jié)約CPU串口資源，監(jiān)測分站的人機界面與CPU之間采用RS232通信方式，且鍵盤與人機界面電路共用1組CPU串口，如圖3所示。將CPU的RX端接到數(shù)字開關(guān)芯片ADG884的1端，將ADG884的2、3端分別連接鍵盤和人機界面。當CPU需要接收人機界面返回數(shù)據(jù)時，將RX端連接到RS232通信電路；CPU不需要人機界面返回數(shù)據(jù)時，將RX端連接到鍵盤。

圖3 內(nèi)部通信電路

2.2.2 通信保護電路

根據(jù)本質(zhì)安全電路設(shè)計原則，對外部通信電路進行了保護設(shè)計，在突發(fā)情況下出現(xiàn)過電流、過電壓時，將通信電路隔斷，防止后續(xù)電路遭到破壞，限制危險區(qū)域的電能量，保證通信電路的本質(zhì)安全特性。

通信保護電路如圖4所示。D1，D2為瞬態(tài)抑制二極管，當B端與地之間有過電壓時，D1導(dǎo)通，B端、D1、地形成回路，從而消除過電壓；當A端與地之間有過電壓時，D2導(dǎo)通，A端、D2、地形成回路，從而消除過電壓；當A端與B端之間有過電壓時，D1和D2同時導(dǎo)通，A端、B端、D1、D2形成回路，從而消除過電壓，保護電路外部通信設(shè)備。D3，D4，D5為防雷管，當1端與地之間有過電壓時，D3導(dǎo)通，1端、D3、地之間形成回路，從而消除過電壓；當2端與地之間有過電壓時，D4導(dǎo)通，2端、D4、地之間形成回路，從而消除過電壓；1端與2端之間有過電壓時，D5導(dǎo)通，1端、2端、D5形成回路，從而消除過電壓，保護外部通信電路。當有過電流產(chǎn)生時，R1，R2將過電流阻擋在一側(cè)，使外部過電流無法進入內(nèi)部電路，保護后續(xù)通信電路。在保護元件無損壞情況下，當過電壓、過電流消失后，外部通信電路恢復(fù)正常工作。

圖4 通信保護電路

3 監(jiān)測分站軟件開發(fā)

監(jiān)測分站軟件以Keil uVision5為開發(fā)環(huán)境，采用C語言開發(fā)，主要包括數(shù)據(jù)采集程序、通信程序、人機界面程序。系統(tǒng)采用主從通信模式，主從站通信過程中，主從站的系統(tǒng)程序不同。為了方便實際應(yīng)用，監(jiān)測分站使用同一套軟件程序，通過設(shè)置不同站號來判斷主從站，實現(xiàn)了主從站的靈活切換。本文主要介紹數(shù)據(jù)采集程序和人機界面程序。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)對模擬量信號和脈沖信號的采集。以脈沖信號采集為例，說明數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計方案。

限矩器是刮板輸送機的重要保護組件，用于將動力傳遞給減速器，同時起機械過載保護作用。限矩器在刮板輸送機負載正常情況下不打滑，沒有功率損失，類似一個剛性聯(lián)軸器。此時限矩器輸入轉(zhuǎn)速n1與輸出轉(zhuǎn)速n2相等。當負載超過限矩器出廠設(shè)定的打滑轉(zhuǎn)矩Ms時，就會進行打滑保護，輸出轉(zhuǎn)矩保持Ms，此時限矩器輸入轉(zhuǎn)速n1大于輸出轉(zhuǎn)速n2。限矩器能斷開短時尖峰載荷，當負載恢復(fù)正常時，限矩器恢復(fù)正常工作。若出現(xiàn)卡阻等長時間過載情況，由于Ms大于電動機顛覆力矩Md，電動機會在1～3 s內(nèi)制動到停止狀態(tài)，此時限矩器輸入轉(zhuǎn)速n1急劇下降，輸出轉(zhuǎn)速n2=0，必須切斷電動機電源，以保護電動機。

因此，可通過監(jiān)測限矩器輸入、輸出轉(zhuǎn)速來判斷刮板輸送機負載變化。監(jiān)測分站采用接近開關(guān)來測量限矩器轉(zhuǎn)速，將采集到的輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速進行比較后，對負載狀況進行初步判斷。

在限矩器轉(zhuǎn)速和編碼器分辨率較低的情況下，定時計脈沖方法測試誤差很大，而定脈沖計時基方法測量誤差很小，所以本文采用定脈沖計時基方法來測量限矩器轉(zhuǎn)速。STM32最高頻率為72 MHz，每個完整脈沖時間約為0.13 μs。時基脈沖頻率選為2 MHz，每個完整脈沖時間為0.5 μs。如圖5所示，以若干個完整轉(zhuǎn)速脈沖來計時基脈沖個數(shù)，時基脈沖可能出現(xiàn)最大2個脈沖的情況，即誤差為1 μs[10]。若編碼器分辨率為360 ppr，則采樣時間應(yīng)控制在10 ms以內(nèi)。

圖5 定脈沖計時基方法示意

基于定脈沖計時基方法的限矩器轉(zhuǎn)速測量流程如圖6所示。系統(tǒng)初始化后，定時器捕捉脈沖信號，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換為限矩器輸入、輸出轉(zhuǎn)速，然后比較輸入轉(zhuǎn)速n1和輸出轉(zhuǎn)速n2。當n1=n2時，判斷限矩器正常工作，刮板輸送機運行正常。當n1>n2，判斷限矩器出現(xiàn)打滑。若打滑時間在5 s內(nèi)，判斷刮板輸送機出現(xiàn)短時尖峰載荷，并在人機界面顯示該狀態(tài)；若打滑時間超過5 s，判斷刮板輸送機負載異常，應(yīng)切斷刮板輸送機電源，停機排查故障。

圖6 限矩器轉(zhuǎn)速測量流程

3.2 人機界面程序

人機界面主要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警參數(shù)、傳感器接入狀態(tài)、監(jiān)測分站之間通信狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、報警記錄顯示，監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲，報警值、站號修改，系統(tǒng)參數(shù)恢復(fù)等功能。

人機界面如圖7所示。該界面分為系統(tǒng)設(shè)置區(qū)、分站切換區(qū)和數(shù)據(jù)顯示區(qū)。系統(tǒng)設(shè)置區(qū)位于界面上端，實現(xiàn)參數(shù)修改、出廠默認設(shè)置恢復(fù)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能；分站切換區(qū)在界面最左端，可通過選擇不同分站，實現(xiàn)分站數(shù)據(jù)查詢功能；數(shù)據(jù)顯示區(qū)在界面右下部分，可顯示監(jiān)測分站的監(jiān)測點、監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測點報警上/下限值(報警值)和監(jiān)測點狀態(tài)。

圖7 人機界面

4 監(jiān)測分站性能測試

圖8為監(jiān)測分站樣機，其已完成性能測試。測試結(jié)果表明，該監(jiān)測分站電路部分滿足本質(zhì)安全要求，能夠?qū)囟取⒘髁俊毫娃D(zhuǎn)速等信號進行采集和準確顯示，并根據(jù)監(jiān)測信息初步診斷刮板輸送機運行狀態(tài)，發(fā)出預(yù)警或聲光報警；監(jiān)測分站之間通信穩(wěn)定可靠，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互要求。

圖8 監(jiān)測分站樣機

5 結(jié)語

刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分站能夠采集和顯示減速器軸承溫度、轉(zhuǎn)速及潤滑油油位、溫度，電動機軸承溫度和繞組溫度，冷卻系統(tǒng)冷卻水流量、壓力和溫度，限矩器輸入和輸出轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)刮板輸送機驅(qū)動裝置運行工況的監(jiān)測和刮板輸送機負荷狀態(tài)的診斷。各分站間可通過RS485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，主站可將監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線上傳到集控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程在線監(jiān)測。

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Design of running status monitoring system substation of scraper conveyor

LIU Jing1, LIU Zongwei1, LEI Zhipeng1, LIN Lingyan1, SONG Jiancheng1, CAO Baolin2, SHI Lizhi2

(1.Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024,China; 2.Shanxi Weida Machinery Manufacturing Co., Ltd., Taiyuan 030024,China)

For problems of non-comprehensive monitoring data and large volume and inconvenient installation of flameproof type monitoring equipment existed in running status monitoring system for scraper conveyor in fully mechanized working face, a running status monitoring system of scraper conveyor was developed, and software and hardware design schemes of substation of the system were introduced in details. The substation, which is composed by CPU, data acquisition module and communication module, can monitor running status of driving equipments for scraper conveyor, and diagnose load status of scraper conveyor by use of input and output speed monitoring method for torque limiter. The test result shows that the substation meets intrinsically safe requirements, and has accurate monitoring data, stable communication and reasonable and effective diagnosis method of load status.

coal mining; fully mechanized working face; scraper conveyor; status monitoring; monitoring substation; intrinsic safety

2016-08-22；

2016-10-21；責(zé)任編輯：李明。

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1510112); 山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項目(2016JD17)；山西省科技重大專項資助項目(20131101029)。

劉晶(1990-)，男，山西大同人，碩士研究生，研究方向為智能電器技術(shù)，E-mail：476392401@qq.com。

1671-251X(2016)12-0006-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.002

TD634

A

時間：2016-12-01 09:37

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.0937.002.html

劉晶，劉宗偉，雷志鵬，等.刮板輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分站設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(12)：6-10.