煤礦刮板輸送機作業過程監控系統的設計研究

薛曉杰

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司木瓜煤礦，山西 方山 033199）

1 現有監控系統現狀分析

通過查閱相關資料，結合當前刮板輸送機的實際運行情況，可知輸送機雖逐步在向自動化及智能化領域發展，部分設備也實現了自身的部分自動化遠程監控系統設計，但在使用中仍存在較多問題，主要分析了如下幾點：

1）當前所設計的監控系統僅能實現對刮板輸送機部分參數的就地監控，無法將采集數據傳輸至遠端的控制中心，也未與整個煤礦監控系統進行集成化一體統一設計及遠程管理[1-3]；

2）由于井下環境的相對復雜，所設計控制系統在數據傳輸過程中存在較大信號干擾，且所采集數據的準確性和實時性也相對較差，極容易出現信息誤報問題；

3）設備控制系統所使用的檢測儀器的使用壽命較短，井下抗爆性較差，所采集的數據大多都是通過傳統的基頻方式進行傳輸，存在信號傳輸速度較慢、信號失真等問題[4]；

4）設備的監控系統大多能實現對采集數據的顯示，但存在采集及分析處理數據無法實時保存、顯示界面內容無法調整的問題，同時，人員無法通過顯示屏對設備的安全控制功能進行操作控制[5]。

為此，有必要以現有的刮板輸送機監控系統為設計基礎，對其進行升級設計，以提高整個刮板輸送機的自動化控制水平。

2 監控系統的總體設計

結合當前刮板輸送機中監控系統的系統框架，開展了系統的升級設計研究。所設計的監控系統包括了采集模塊、監控分站、傳輸模塊、監控總站、顯示界面等部分，采集模塊主要包括電動機功率傳感器、減速器速度傳感器、溫度傳感器、振動傳感器等，可實現對設備運行過程中關鍵參數的實時采集[6]。系統處理器則采用了西門子的S7-300控制器，可將采集的數據進行收集，經過內部的信號轉換器，可將電信號轉換為數字信號，并對數字信號進行分析、判斷和處理；處理后的信號傳輸至監控分站進行數據匯總、數據存儲及顯示等，若設備發生相應的故障現象，則該監控系統會發出聲光報警提示。整套系統包括了電源電路、通訊接口電路、保護電路等部分，輸出電壓選用了DC24V/12V，內部信號則主要通過RS485接口和CAN總線接口進行傳輸，傳輸網絡則是依靠光纖環網。同時，在各分站處設置了一個外接數據接口，以實現數據的實時上傳。另外，選用了KC01-70T型顯示屏，刮板輸送機的各類監控參數將在此顯示屏中進行實時顯示。整個刮板輸送機監控系統的總體框架圖如圖1所示。

圖1 刮板輸送機監控系統總體框架圖

3 監控系統中關鍵部分的設計

3.1 電源電路的設計

整個監控系統所采樣的電壓平臺除了采用AC220V電源，主要給整個系統進行供電。同時也采用了直流12 V和24 V電壓平臺，其中，24 V主要為溫度、油壓壓力等方面的傳感器進行直流供電，而監控系統的處理器及內部運行電路則主要采用了12 V電壓進行供電。為保證整個系統的正常供電，采用了礦用本安直流電源轉換器，可將外界的AC220電源轉換為12 V和24 V電壓，監控系統中的電源電路圖如圖2所示。為實現電源內部電路的有效隔離，匹配了電源隔離模塊，可將電壓轉換為調理的電源供電，圖2中的U1、U2、U3、則為選用的電源隔離模塊。另外，為防止電源出現反接，降低對其他部件的損壞，電路中設計了D1、D2二極管。

圖2 電源電路電路圖

3.2 通訊接口電路的設計

由于RS-232串行接口的傳輸速率高，可實現最遠20 m的信號傳輸，能夠保證刮板輸送機內部采集單元之間的有效通訊，同時，能節約CPU更多的串口資源。為此，對監控系統的通訊串行接口電路進行了設計。在電路設計中，將CPU的RX端與電路中U2的D1端進行有效連接，控制鍵盤則主要與U2的S1A端進行連接，顯示屏則與U2的S1B端進行連接，當S1B導通時，CPU的RX端則可實現與RS-232接口進行連接。監控系統通訊接口電路如圖3所示。

圖3 通訊接口電路圖

3.3 通信保護電路的設計

由于井下環境的惡劣性，加上刮板輸送機經常會超負荷運行，極容易使其出現各類故障現象。為有效保護整個監控系統的安全運行，設計了一套通訊保護電路。當監控系統運行時出現過流或過壓時，此保護電路即可啟動，實現對非故障電路的快速屏蔽，以有效避免系統中其他電路出現故障損壞，保證系統的運行穩定性。整個通訊保護電路圖如圖4所示。

圖4 通訊保護電路設計

3.4 顯示屏的選型設計

顯示屏是整個監控系統中的關鍵部件，通過顯示屏，能實現對設備運行參數、異常報警信息、歷史數據查詢、報警記錄等操作，并能通過顯示界面對刮板輸送機相關的報警參數進行遠程設置、采集及處理數據的實時保存。為此，選用了KC01-70T型顯示屏，實物圖如圖5所示。該顯示屏為7寸的液晶顯示，設置有RS485、RS232及以太網等通訊接口，能實時接收各類通信協議傳遞的信號；同時，顯示器內部則采用了Modbus標準協議，可通過專門的編程軟件對顯示屏中的顯示內容及數據進行編寫及調整。

圖5 KC01-70T型顯示屏

4 監控系統的應用效果

在完成監控系統的全面設計后，為進一步掌握系統的綜合性能，對該監控系統進行了將近半年的應用測試，主要將該監控系統安裝在SGZ1000型刮板輸送機中。在運行過程中，該監控系統能全面地對設備的軸承溫度、油溫、液壓油流量、工作壓力等參數進行實時采集及數字化顯示，系統根據設備的運行情況，執行設備的綠色預警、紅色報警等不同等級提示，同時系統根據故障情況自動進行切斷。人員則可根據故障類型和發生位置及原因，有針對性地對設備進行維修操作。同時，也將相關參數進行了實時保存，根據需求形成相應的歷史曲線。據人員介紹，該監控系統的成功應用，使得刮板輸送機的故障發生率降低了50%左右，大大提高了設備的煤礦開采效率，人員的勞動強度也明顯降低。監控系統整體運行情況達到了預期效果，得到了人員的一致認可。監控系統的現場運行界面圖如圖6所示。

圖6 監控系統的現場運行界面圖