刮板輸送機監控系統的設計及現場應用研究

張二平

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033102）

引言

刮板輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，已被廣泛應用到了井下煤礦開采中。由于井下環境的惡劣性，導致刮板輸送機時常發生各類安全故障，其中，設備中的減速器、液力耦合器、發動機等部件的故障率占整個設備的75%左右，由于井下設備的開采作業相對閉環，設備一旦出現故障，將出現設備停機維修情況，嚴重影響著其他設備的正常運行，也給井下作業安全構成了重要威脅[1]。當前，雖在設備中添加了控制系統，但監控范圍及參數值相對較小，準確性較低，無法對設備的運行狀態及諸多故障類型進行實時數據采集和監控，整體智能化控制程度較低[2]。為此，將當前更加先進的控制技術應用到設備的實際作業中，提升刮板輸送機中監控系統的綜合性能，已成為企業關注的重要任務。

1 現有監控系統存在問題分析

1）當前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[3]；

2）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[4]；

3）設備的運行參數無法通過快速方式，在顯示屏中進行實時顯示，并無法通過顯示界面對設備的運行狀態進行遠程調節和控制；

4）設備控制系統所使用的檢測儀器的使用壽命較短，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，井下抗爆性也相對較差[5]；

5）由于井下環境相對復雜，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。

為此，有必要以現有的刮板輸送機控制系統為基礎，開展監控系統的升級設計研究。

2 監控系統總體設計

結合當前刮板輸送機中監控系統現狀，開展了刮板輸送機監控系統的升級設計研究。所設計的監控系統包括了配套傳感器、脈沖信號調節電路、通訊電路、保護電路、驅動電路、電源電路、STM32F103處理器、人機界面、RS485通訊接口、聲光報警等部分。其中，傳感器包括了轉速、溫度、流量、液位、壓力等傳感器，能實現對刮板輸送機作業時關鍵參數的實時數據采集，通過RS485接口，經過系統內部的相關電路信號轉換后，傳輸至STM32F103處理器中進行信號的分析判斷和處理，分析判斷后的數據則通過人機顯示界面，將其再進行參數的實時顯示，若設備某一部分發生異常情況時，則系統將會通過聲光報警模塊及時發出提示，并在人機顯示界面中顯示[6]。另外，所有監控數據可通過RS485接口和CAN總線通訊接口，完成與井下其他設備之間的信號傳輸，由此，實現了整個系統的遠程監控和集成化設計。刮板輸送機監控系統的總體方案框架如下頁圖1所示。

圖1 監控系統總體方案框架圖

3 監控系統主要分系統設計

3.1 溫度控制電路設計

刮板輸送機在作業時，若散熱效果不好，加上井下通風效果不佳，極容易出現設備工作溫度升高現象。為此，設計了設備工作溫度的控制電路，其電路圖如下頁圖2所示。在該電路中，電壓平臺設DC24V，配備了多種電阻和電容元器件，能將檢測的電阻信號，先轉換為4~20 mA的電流信號，最后轉換為CPU能識別的電壓信號，當溫度超過設置的閥值時，該電路將執行切斷電機運行的操作。同時，匹配了PT100的防爆型溫度傳感器，如圖3所示，以實現對設備上溫度數據的實時采集。

圖2 溫度控制電路圖

圖3 PT100的防爆型溫度傳感器

3.2 脈沖信號調節電路設計

為實現對刮板輸送機運行狀態的實時評估，實現對耦合器輸出轉速的監控功能，故需對整個電路中的信號進行脈沖調節。因此，所設計的脈沖信號調節電路（見圖4）主要包括了鉗位電路、隔離電路、隔離電路等組成，具體包括光電隔離耦合器、二極管、74HC14芯片、電阻等元器件，電路的電壓平臺采用了DC5V，工作原理為：通過選用的轉速傳感器將采集的數據以脈沖信號方式進行發出，輸入值Din端，經過74HC14芯片和觸發器，傳輸至鉗位電路中，最終由CPU進行信號捕捉和采集調節，以此實現對傳感器脈沖信號的調節控制。

圖4 脈沖信號調節電路

3.3 電壓調節電路設計

整個監控系統中所采用的電壓包括了DC24V、DC12V和DC5V等，需經過電壓的轉換后，方可為監控系統直接使用，保證信號采集端電壓與采集端接地電壓一致。為此，設計了電壓調節電路。在該電路中，包括了穩壓電路和嵌位電路，可實現對不同電壓的相互轉換。例如：由于單片機的電壓值為DC 3.3 V，故可首先將輸出信號控制在0~5 V范圍內，再經過比例電路處理后，按照一定的比值關系，將電壓值轉換為0~3.3 V范圍內，以供單片機和CPU的正常使用。同時，該電路僅需3個階段的電壓調節，即可實現24路模擬量信號的調節，大大簡化了整個調節電路的復雜性。電壓調節電路如圖5所示。

圖5 電壓調節電路圖

4 監控系統應用效果分析

在完成整套監控系統的總體設計后，為進一步掌握該系統的可靠性及綜合性能，將該系統在SGZ1710型刮板輸送機中進行了實際應用測試，測試過程中主要是對該監控系統的信號采集、數據處理、設備運行狀態顯示及遠程操作控制等方面進行了實際應用測試，測試周期為6個月。經過測試可知，該監控系統運行更加穩定可靠，所采集的設備狀態包括了工作電壓、溫度、行進速度、工作時間、最大功率、啟停操作控制等，實現了將設備中各關鍵元器件與監控系統之間的RS485通訊及信號傳輸，刮板輸送機的各項作業狀態則通過監控顯示界面進行了實時顯示，同時，人員可根據設備的運行需求，對其進行遠程操作控制，當設備出現各類故障問題時，也能通過該監控系統進行故障類型及故障位置的實時顯示和報警提示，整個過程無需人員進行操作干預，實現了整個過程的智能化遠程控制需求。據統計，測試期間，設備的故障率降低了將近40%，煤礦開采效率提高了將近30%，達到了預期效果。