綜采工作面輸送設備狀態監測系統研究

劉葛成

（山西煤炭進出口集團鹿臺山煤業有限公司，山西晉城 048200）

0 引言

綜采工作面的設備運行狀態關系到煤礦的安全生產，其中被稱為輸送“三機”的刮板運輸機、破碎機和轉載機構成了綜采工作面輸送系統[1]。綜采工作面輸送設備是煤炭開采的重要設備，必需對其工作狀態進行監測，及時發現異常并發出警報。現有綜采工作面輸送設備狀態監測裝置存在體積大、安裝困難、功能不完善等缺點，為了降低其體積重量，提高監測裝置的性能，本文研究了一種新型綜采工作面輸送設備狀態監測系統，對綜采工作面的各種設備安全運行具有重要意義[2-8]。

1 輸送設備狀態監測系統

圖1 綜采工作面輸送設備狀態監測系統

結合煤礦生產實際，經過對輸送設備全面分析后，設計的綜采工作面輸送設備狀態監測系統如圖1所示。整個監測系統由1 個監測總站（一般設在刮板輸送機機頭位置）、3 個分站以及它們之間的通訊組成。4 臺監測主機之間采用內部通訊，機頭的主機與控制列車采用外部通訊，總站主機將所有主機采集的狀態信息上傳至上位機。各監測主機分別監測刮板輸送機機頭、機尾，破碎機和轉載機，主要的監測對象是這些設備的液力耦合器、電機及其減速器。監測主機都配置有彩色顯示器，能夠顯示控制器的控制參數和狀態曲線，供工作人員進行現場觀察。

2 狀態監測系統硬件

狀態監測系統硬件部分包括監測主機結構、溫度信號轉換電路、多路模擬量巡檢切換電路、故障指示燈電路、紅外接收電路、其他功能電路等。

2.1 監測主機

監測主機的硬件部分包括電源、人機界面、RS485 通訊、主控板、信號采集與隔離、485/CAN通訊單元、閾值預警輸出、鍵盤面板等模塊。圖2 所示為監測主機結構圖。對于每個主機，其單機結構都相類似，由監測主機、本安電源和傳感器模塊組成。監測主機采用ARM Cortex-3 LPC1768 作為主控制器。控制器和顯示器的供電電源分別為12 V和24 V，采用西安某公司設計的隔爆兼本安電源。傳感器模塊包括10 路溫度通道，10路模擬量通道，實現本地電機、減速器狀態量采集。

圖2 監測主機結構

2.2 溫度信號轉換電路

信號采集與調理電路是監測系統的重要組成部分，根據對監測需求的分析，以最大19路監測量為基準，設計了24路監測通道。監測通道分為溫度通道和20 mA 調理通道。溫度傳感器采用PT100，采用三線接法，設計了相應的非線性矯正電路和電流電壓轉換電路。溫度信號轉換電路如圖3 所示。20 mA信號調理電路采用電磁隔離和高效能回路竊電技術五元隔離模塊T1 100 L，此外還配備了ADC轉換通道的選通。

圖3 溫度信號轉換電路

2.3 多路模擬量巡檢切換電路

如果1 臺主機與1 個設備對應監測，不僅會增加井下設備，降低系統的可靠性，還會提高整個系統的成本，造成資源浪費。為了避免這種情況發生，本系統在模擬量采集電路中設計了多路巡檢電路，即1臺主機采用多路巡檢技術后，能夠同時監測2個設備的工作狀態，實現了資源共享，提高了系統的可靠性。圖4 所示為模擬量巡檢切換原理圖，選用的LPC1768 是 8 通道 ADC 芯片，配合多路復用器 MAX4518 后，每個通道都可以擴展為3 個通道，實現了24 路模擬通道的切換。

圖4 模擬量巡檢切換原理圖

2.4 故障指示燈電路

井下運輸設備的工作環境特殊，當綜采工作面出現特殊情況，監測系統必須具有聲光預警功能，引起工作人員注意并采取相應急停措施，防止出現重大事故。故障報警分為聲光兩部分，聲音報警采用固態繼電器驅動電路，采用光耦驅動通道；燈光報警有兩路，分別給到本地指示燈和遠程報警電路，故障報警燈原理圖如圖5所示，采用三極管Q2驅動REDL紅色燈。

圖5 故障報警燈原理圖

2.5 其他功能電路

其他功能電路包括存儲電路、電源與驅動板電路、時鐘功能等，為了防止外部電磁信號干擾，還應該設計相應的防雷電路、高頻信號去耦電路和旁路電路。

3 狀態監測系統軟件

根據監控主機的功能需求，設計了相應的程序。軟件系統包括系統初始化模塊、信號處理模塊、人機交互模塊、中斷響應模塊和通信模塊。

3.1 總站和分站的主程序

總站和分站的主程序流程略有不同，除了初始化，模擬量采集處理、人機界面控制和閾值預警部分相同，在Modbus通信模塊略有不同，總站的主程序內還應包括與上位機通訊程序。主程序開始執行后，首先進行各部分初始化，控制器統一對外圍設備進行調度，根據預定的中斷優先級協調各子程序運行。在相應中斷后，程序還能響應鍵盤輸入的指令，執行相關命令。總站和分站的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 總站和分站的主程序流程圖

3.2 信號采集和處理子程序

系統采集的狀態數據有溫度信號、壓力信號、油位信號和流量信號。除溫度采集電路選用專用PT100 鉑電阻進行采集電阻信號，其余三者均為電流信號。通過簡單轉換將電阻信號轉換為4～20 mA電流信號，然后將電流信號轉換為小于2 V的電壓信號，輸入AD芯片。AD值和傳感器的測量值M之間的數學關系為：

式中：Mmin和Mmax分別為傳感器測范圍的下限和上限；N 為ADC芯片處理后數字量。

為了減小信號采集的誤差，除了采樣電路中設置濾波電路，在信號采集和處理電路中也加入了相應的濾波算法，本文采用平均值濾波，采集的數據拋棄最大值和最小值后取右移指令平均，然后將結果經由式（1）進行計算。傳感器的輸出電流范圍為4～20 mA，當監測到小于4 mA，可判斷為傳感器接觸不良或電源未接通，當監測到大于20 mA，可判斷為傳感器故障。在程序加入了相應的判斷語句進行傳感器的故障診斷。信號采集和處理子程序如圖7所示。

圖7 信號采集和處理子程序流程圖

4 結束語

為保證煤礦井下運輸設備的安全運行，本文對綜采工作面輸送設備監測系統進行了研究。通過對系統的整體結構設計和詳細的軟硬件總體設計，完善了總裁工作面輸送設備的安全系統。設計的主從式監測主機采用了先進的通訊技術，減小了當前狀態監測裝置的體積重量，對煤礦安全生產具有重要意義。