礦用掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用分析

楊晉華

(霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400)

掘進(jìn)機(jī)是煤礦開(kāi)采中非常重要的機(jī)械設(shè)備，同時(shí)具備煤巖截割、裝載、輸送、行走、除塵和噴霧等多項(xiàng)功能，是一個(gè)非常龐雜的系統(tǒng)[1]。隨著煤礦開(kāi)采朝著縱深方向發(fā)展，以及對(duì)煤礦開(kāi)采效率要求的不斷提高，對(duì)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求也更高，目前掘進(jìn)機(jī)設(shè)備正朝著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展[2]。針對(duì)該問(wèn)題，煤礦技術(shù)人員設(shè)計(jì)研究了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)井下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控，從而保障其運(yùn)行的可靠性和安全性。目前很多礦井中都有應(yīng)用，不僅改善了礦井工作環(huán)境及勞動(dòng)強(qiáng)度，還為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。本文主要結(jié)合某煤礦中使用的EBZ200型掘進(jìn)機(jī)，設(shè)計(jì)研究了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，效果顯著，對(duì)于促進(jìn)煤礦智能化發(fā)展具有一定的工程實(shí)踐意義。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)概述

目前煤礦中使用的掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型有很多種，如懸臂式、縱軸式等，懸臂式掘進(jìn)機(jī)以其顯著的優(yōu)勢(shì)在煤礦中的應(yīng)用更為廣泛[5]。本研究主要以EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對(duì)象進(jìn)行分析與研究。掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由圖可知，整個(gè)設(shè)備由多個(gè)結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，包括截割頭、懸臂機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、液壓裝置、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、裝載鏟板、穩(wěn)定器等，是一個(gè)非常龐雜的裝置，掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性是影響煤礦開(kāi)采效率的重要因素之一，因此有必要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，以保障設(shè)備的穩(wěn)定可靠性。

圖1 EBZ200型掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合煤礦實(shí)際情況設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框圖見(jiàn)圖2。監(jiān)控系統(tǒng)整體上分為地面和井下兩大部分。其中井下沿著掘進(jìn)巷道設(shè)置多個(gè)分站，各個(gè)分站之間通過(guò)CAN總線連接，并與地面的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。掘進(jìn)機(jī)中設(shè)置有基于MCU的數(shù)據(jù)采集處理模塊，主要作用是利用各類(lèi)傳感器采集掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及環(huán)境參數(shù)，并基于無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)與分站之間的數(shù)據(jù)傳輸。硐室中同樣設(shè)置監(jiān)控裝置，以便查看掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)。地面監(jiān)控中心主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)視器等，可以將井下傳輸獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn)并存儲(chǔ)到服務(wù)器中，以便后期調(diào)取查看。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集及其處理模塊是最為關(guān)鍵和核心的部分，用于檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息以及環(huán)境參數(shù)等。使用的傳感器主要包括傾角傳感器、位移傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和瓦斯傳感器等。傳感器檢測(cè)得到的均屬于模擬量信號(hào)，需要通過(guò)模擬量采集信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，才能輸入MCU微處理器中進(jìn)行分析和處理[6]。微處理器還需要與聲光報(bào)警模塊、接口模塊、顯示器和電源模塊等進(jìn)行連接。車(chē)載顯示器的作用是方便操作人員掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；聲光報(bào)警模塊的作用是確保出現(xiàn)故障問(wèn)題或安全隱患時(shí)能向外發(fā)出信息，提示工作人員；電源模塊的作用是為整個(gè)數(shù)據(jù)采集處理模塊提供電源支持。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖

3 主要硬件設(shè)施的選型設(shè)計(jì)

3.1 MCU微處理器

結(jié)合實(shí)際情況，本監(jiān)控系統(tǒng)選用的MCU微處理器型號(hào)為STM32L0，該型號(hào)微處理器在很多工業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，表現(xiàn)出很好的運(yùn)行穩(wěn)定性，性?xún)r(jià)比相對(duì)較高。運(yùn)行過(guò)程中的功耗相對(duì)較低、性能較好，芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了大量的資源，在軟件程序編寫(xiě)時(shí)可以提供很大的便利，正常工作時(shí)CPU的工作頻率超過(guò)72 MHz，完全能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的實(shí)際使用需求。

STM32L0型微處理器具有豐富的I/O接口，可以通過(guò)多種形式與其他硬件設(shè)施進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。不僅能滿(mǎn)足系統(tǒng)現(xiàn)在的需要，也能滿(mǎn)足系統(tǒng)后續(xù)的拓展性需求。為了提升微處理器運(yùn)行的穩(wěn)定性，所有的數(shù)據(jù)信號(hào)在輸入和輸出時(shí)需要利用光耦電路對(duì)其進(jìn)行隔離，以達(dá)到對(duì)微處理器進(jìn)行保護(hù)的目的。圖4為數(shù)據(jù)信號(hào)輸出模塊光耦隔離電路原理圖。

圖4 輸出模塊光耦隔離電路原理圖

3.2 無(wú)線傳輸芯片的選型

本文設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與其他監(jiān)控系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，井下部分采用無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以提升數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的便捷性和可靠性。具體而言，使用Zigbee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。目前市場(chǎng)上能實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的芯片有多種類(lèi)型，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型芯片進(jìn)行對(duì)比分析，最終選擇的芯片型號(hào)為CC2430。該芯片基于Zigbee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)傳輸，芯片高度集成，內(nèi)部包含RF收發(fā)模塊、數(shù)字處理器、存儲(chǔ)器等多種硬件設(shè)施。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該芯片工作時(shí)功耗相對(duì)較低，內(nèi)部設(shè)置不同的工作模式，可以充分結(jié)合實(shí)際情況選擇最適合的模式，數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸過(guò)程非常穩(wěn)定和可靠。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用分析

將礦用掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作，見(jiàn)圖5。監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行中的各種狀態(tài)信息參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行采集、處理，并將采集得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿挥诘孛娴谋O(jiān)控中心，工作人員可實(shí)時(shí)查看井下掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置及井下巷道基本情況

測(cè)試期間，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的截割部振動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)了異常情況，系統(tǒng)向外發(fā)出聲光警報(bào)后，工作人員及時(shí)對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行了排查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)異常的根本原因?yàn)榻馗畈抗ぷ鲿r(shí)遇到了硬度相對(duì)較高的煤巖，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)油箱軸銷(xiāo)脫位松動(dòng)。排除故障后，系統(tǒng)警報(bào)解除。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能有效保障掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行可靠性以及安全性。系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行中存在的小隱患、小故障，避免引發(fā)更加嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，為延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、提升煤礦開(kāi)采效率奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)踐測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均達(dá)到了預(yù)期效果，且在測(cè)試期間性能非常穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的故障，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。