刮板輸送機監控及故障診斷系統的設計與應用

張 欣

（山西焦煤汾西礦業設備修造廠，山西 介休 032000）

引言

目前，煤礦生產井下煤礦運輸主要用刮板輸送機。由于地下工作環境非常差，從安全角度看，設備剛投入使用安全性很高，但一段時間后，由于疲勞、腐蝕、磨損等，設備安全會下降，危及刮板輸送機使用人員的生命和安全[1-2]。為了消除這些問題，延長設備壽命，確保設備正常運行，提高設備的安全和可靠性，不僅需要加強日常檢查和仔細維護，還需要研究和總結如何防止事故[3]。為解決綜采工作面刮板輸送機當前的監控難題，開發一套本質安全的刮板輸送機監測與故障診斷系統。該系統集成了控制和監視功能，可實現對刮板輸送機的在線控制和遠程監視。通過控制和故障診斷功能可以彌補現有監測裝置和診斷系統的一些不足，提高煤礦生產的自動化水平。

1 總體設計

1.1 監控點的確定

電動機的溫度監測點確定為電動機繞組、電動機前軸承和后軸承。此外，為了控制鏈條以及診斷故障，可對電動機的電壓和電流進行監控。將耦合器的監視點確定為輸入速度和輸出速度，用以防止負載太大造成耦合器打滑，從而損壞聯軸器。溫度過高是軸承故障的最主要原因，而潤滑劑失效的主要原因是潤滑劑溫度過高、潤滑劑油位過低以及潤滑劑質量下降[4]。情況在嚴重時，會損壞減速器的齒輪和軸承，造成嚴重事故。從而導致難以挽回的損失。因此，需重點監控減速器的高速軸承溫度和低速軸承溫度、減速器的油溫、減速器的油位以及潤滑油的質量。此外，為確保冷卻系統正常工作，還需監控冷卻水的溫度和壓力[5]。

1.2 系統結構與功能

系統結構如圖1所示，系統分為井下系統和地面系統兩部分，前者主要由包括前后部機頭監控分站、前后部機尾監控分站等在內的六個監控分站組成，后者主要由刮板輸送機上位機的遠程監控故障診斷系統組成，兩者通過礦井光纖環網與井下系統連接。

圖1 刮板輸送機監控與故障診斷系統系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 硬件總體結構

刮板輸送機監控與故障診斷系統硬件總體結構如圖2所示，其中，外部通信接口部分包括3個RS-485通信接口，分別與井下集控中心、兩路主從站進行數據傳輸，此外還配置了CAN通信接口，用于主站與上位機的通訊。

圖2 監控裝置硬件總體結構圖

2.2 硬件選型

2.2.1 CPU

監控裝置的CPU采用單片機ARMCortex-M3STM32103VB。它具有高性能、低功耗、低電壓運行、高集成度和易于開發的特點，擁有豐富的外圍資源和靈活的資源配置[6]。

2.2.2 顯示屏

選用為礦用本安型顯示屏ExibI為顯示屏，可用于溫度范圍為-20~40℃，相對濕度不超過96%RH（在+25℃）和壓力范圍為80~110 kPa的環境中，并且它可以在爆炸性環境（例如基于甲烷的氣體）中正常工作，以滿足系統使用環境的要求。顯示屏為7.0英寸真彩色LED，便于接口設計和井下人員查看。

2.2.3 電源

電源電路的原理圖如圖3所示。使用本質安全直流電源，由于向監視設備和傳感器采用±12 V和±24 V直流電壓供電，需將127 V交流電壓進行轉換。

圖3 電源電路的原理圖

3 系統軟件設計

軟件程序控制著整個系統的協調運行，是實現每個功能必不可少的環節，并且是監控系統的核心。因此，程序設計的合理性將直接影響監控設備的采集，通訊和控制功能的實現。系統程序設計CPU程序和顯示屏程序分為兩部分，系統軟件總體結構如圖4所示。采用基于STM32F103單片機的模塊化語言設計主程序和子程序。此外還編寫了顯示程序，為井下人員實時監控刮板輸送機數據和狀態提供可能。

圖4 系統軟件總體結構圖

如圖5所示，打開系統電源后，它將首先進入主屏幕，再從主屏幕進入每個模塊屏幕。主屏幕包含數據監視、參數設置、警報信息、故障診斷、歷史數據和系統設置等六個主要模塊，為了確保系統的安全性，某些屏幕需要輸入登錄密碼才能進入，因此設計了密碼登錄屏幕如圖5所示。

圖5 主屏幕及密碼界面

由于主畫面并沒有刮板輸送機顯示任何工況，在實際工作中，監控畫面才是關注的重點對象，因此，通過后臺腳本實現了進入主畫面一分鐘內無操作直接進入監控畫面的功能，減少了按鍵操作，更符合實際需求。監控畫面如圖6所示，在驅動這一列，對應了監控的五個重點部位，分別是對應前部機頭、前部機尾、后部機頭、后部機尾、轉載/破碎機。對于每一重點部位，分別監測減速器、電機、液壓缸三個部件，對應的監測項目為軸溫、水溫、水壓、油溫、油位、流量等，且對監測項目的狀態有初步判斷，正常值顯示為綠色。可以通過鍵盤的上下鍵和確認鍵進入不同的子站監視屏幕，以查看每個站的監視數據和狀態。

圖6 監控畫面

如下頁圖7所示，參數設置屏幕主要用于設置減速器的軸溫、水溫、水壓的的報警值、電機的軸溫和繞阻溫度以及液壓缸的目標壓力值等。在初始化期間，CPU從屏幕讀取設置的參數。因此，每次修改參數時，都需要重新啟動，設置的參數可以生效。

圖7 參數設置畫面

4 系統功能測試

系統功能測試是系統可以在現場使用之前的必要步驟。現場測試圖如圖8所示。測試結果顯示：溫度-電阻曲線為一條直線且與理論溫度-電阻曲線基本重合，滿足實時溫度采集的要求；測試電壓、電流值與計算出的理論值之間的最大相對誤差分別為為0.60%、0.67%，符合技術指標要求；監控裝置能夠準確采集脈沖信號，采集到超警戒信號時，LED燈能夠亮起并且蜂鳴器正常鳴響，同時屏幕上彈出顯示警告信息；通過控制電磁閥來控制刮板輸送機液壓回路，在鍵盤上的按下緊急停止按鈕時，電磁閥后停止移動，實現了下位系統的控制功能。

圖8 系統現場測試圖

5 結語

為解決綜采工作面刮板輸送機的監控點不全面、系統分離、系統自動化程度低、操作復雜等問題，通過系統分析了監控系統的整體結構，本文設計開發了一套綜采工作面刮板輸送機監控及故障診斷系統，完成了基于STM32單片機和萬維顯示器的硬件電路設計。采用RS-485以及CAN結合的通訊結構實現了井下監控系統、井下集中控制中心、上位機三者之間的通訊。配置了本安型監控裝置的硬件并開發了相應的軟件程序，保證了地下監控系統和外部設備之間的信息傳輸準確度和軟件的可移植性。對開發的刮板輸送機監控及故障診斷系統進行了包括信號采集功能測試、驅動功能測試在內的六項功能測試。測試結果表明，所開發的綜采工作面刮板輸送機和故障診斷系統能夠滿足預定的技術指標，并實現了本文提出的數據采集、通訊和控制等功能。