刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)研究

余慧杰

（晉能控股煤業(yè)集團雁崖煤業(yè)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我國能源儲量豐富，能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多煤、少油、貧氣的特點，煤炭資源的消耗量位居世界第一。雖然我國煤炭資源儲量豐富，但其賦存較為不均，隨著各行各業(yè)煤炭需求量的加大，煤炭開采量逐年增多，煤層開采的重點也從淺埋深賦存條件較好的煤層，逐步向著賦存條件較差，埋深較大的煤層進行轉(zhuǎn)移。刮板輸送機作為我國重要的機械設(shè)備，其主要用于煤塊及物料的運輸工作，同時刮板輸送機也是采煤機及液壓支架推移的支點，其工作性能直接影響煤層的開采效率。在刮板輸送機的工作過程中，由于工況環(huán)境較為復(fù)雜，刮板輸送機受到的外部沖擊較大，使得刮板機驅(qū)動裝置即減速器、電動機、液力耦合器等極易發(fā)生故障，嚴(yán)重影響刮板輸送機的正常運行[1-2]。為了提升刮板輸送機工作過程中的安全性，對刮板輸送機進行工況監(jiān)測及評估十分重要，此前較多學(xué)者對此進行過研究[3-4]，本文給出了刮板輸送機監(jiān)控及評估系統(tǒng)，為礦井刮板輸送機的高效、安全運行提供一定的借鑒。

1 系統(tǒng)硬件選型

刮板輸送機監(jiān)控及故障監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)設(shè)備實時的狀態(tài)監(jiān)控，同時對收集的數(shù)據(jù)進行處理、顯示、上傳及傳輸。系統(tǒng)總體分為兩個部分，井上系統(tǒng)和井下系統(tǒng)，井上系統(tǒng)主要由刮板輸送機的上位機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成，而井下系統(tǒng)主要由輸送機機頭監(jiān)控分站、前部機尾監(jiān)控分站、后部機頭監(jiān)控分站、后部機尾監(jiān)控分站及破碎機監(jiān)控分站、轉(zhuǎn)載機監(jiān)控二分站組成。為了保證每個分站作業(yè)的獨立性，在每個分站處配置一個外接數(shù)據(jù)接口，可以單獨將分站數(shù)據(jù)進行上傳。總站通過CAN 通信接口將數(shù)據(jù)上傳至刮板輸送機遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障檢測系統(tǒng)，并對上傳數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。

刮板輸送機監(jiān)控及故障檢測系統(tǒng)的電路選擇是實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，在充分考慮監(jiān)控裝置的穩(wěn)定性及可靠性后，設(shè)計了一套可靠性、通用性好的監(jiān)控裝置，監(jiān)控裝置總體的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 監(jiān)控裝置總體的結(jié)構(gòu)圖

如圖1 所示監(jiān)控裝置硬件總體結(jié)構(gòu)可以看出，系統(tǒng)主要由配套的傳感器、內(nèi)部電路、外部通信接口組成，其中系統(tǒng)的傳感器部分主要包括轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、油位傳感器等；而內(nèi)部電路是由最小系統(tǒng)、脈沖信號調(diào)理、信號傳輸、溫度(電阻)信號調(diào)理、人機界面、電壓信號調(diào)理、通信和控制等電路組成；外部通信接口主要由井下集控中心的RS-485 通信接口、主從站RS-485-1、RS-485-2通信接口及上位機與主站CAN 通訊接口組成。系統(tǒng)整體運行是通過傳感器對刮板輸送機的實時運行位置及狀態(tài)進行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳輸信號中存在故障信號，此時系統(tǒng)會立刻發(fā)出報警信號，同時將故障展示于人機界面，便于操作人員的查看及處理。

對系統(tǒng)核心CPU 進行選型，CPU 除了需要實現(xiàn)信息的采集之外，同時也需要留設(shè)一定的剩余，便于后期的系統(tǒng)優(yōu)化。經(jīng)過對比后限定ARM Cortex-M3STM32103VB 單機片作為設(shè)計系統(tǒng)的CPU，其具備高度集成、性能高、資源配置靈活等優(yōu)點。同時M3STM32103VB 具有強大的存儲功能，用于256 kB的Flash 和64 kB 的SRAM 存儲器，外接有16 個ADC 采集及2 個DAC 采集接口，同時有80 個I/O 接口，能夠滿足后期的擴展需求。

顯示屏是監(jiān)控系統(tǒng)人機交互重要的設(shè)備，其能夠直接反映及顯示刮板輸送機的實時狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)需求，顯示屏的需要包含數(shù)據(jù)存儲、站號位置、歷史數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警報警參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示等模塊，所以在充分考慮實用性及經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，選定KC01-70T 顯示器。

為了保證監(jiān)控系統(tǒng)運行的安全性，需要對系統(tǒng)增加保護電路，綜采工作面環(huán)境較為惡劣，對系統(tǒng)的通信電路會造成一定的影響，所以在外部通信電路處增加保護處理，用于保證通信的安全與穩(wěn)定性。根據(jù)本安電路的設(shè)計方案，設(shè)計了通信保護電路，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過電流或過電壓的情況時，系統(tǒng)會立刻屏蔽通信電路，避免其他電路受到損壞，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。

2 軟件設(shè)計

對監(jiān)控裝置的軟件進行設(shè)計，硬件設(shè)備是系統(tǒng)運行的基石，軟件系統(tǒng)則是系統(tǒng)運行的核心，是各項模塊及功能實現(xiàn)必不可缺的環(huán)節(jié)。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2 可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)的程序軟件包含CPU程序和顯示屏程序，為了更好地進行編程及設(shè)計，選定C 語言對CPU 程序進行編寫，分站與主站對應(yīng)不同的功能，當(dāng)監(jiān)控裝置為分站時，此時系統(tǒng)需要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示、信號的采集、預(yù)警報警的功能、破碎機控制功能、控制鏈條張緊力功能、總分站之間通信功能等。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)切換為總站時，此時系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機的通信聯(lián)通功能。整體監(jiān)控系統(tǒng)的程序包括：采集子程序、信號處理子程序、顯示屏子程序、通信子程序、控制子程序、顯示屏子程序等。

主程序是實現(xiàn)系統(tǒng)整體命令流程的核心，其主要流程為開始時先對系統(tǒng)進行初始化設(shè)置，此時CPU、預(yù)警及報警參數(shù)、顯示屏設(shè)置等全部初始化，完成初始化后對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行采集及處理，并將采集的數(shù)據(jù)顯示于顯示屏上，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，控制核心會對異常數(shù)據(jù)進行判斷，若出現(xiàn)故障則立刻發(fā)出聲學(xué)報警，并迅速顯示于上位機。具體總站與分站的流程如圖3 所示。

圖3 總站與分站的流程圖

對顯示屏程序進行設(shè)計，根據(jù)實際需要，將監(jiān)控界面信息分為如下監(jiān)控畫面，分別為前部機頭機尾、后補機頭機尾及轉(zhuǎn)載/破碎，監(jiān)控數(shù)據(jù)實時顯示于顯示區(qū)，通過鍵盤的切花可實現(xiàn)不同分站監(jiān)控畫面的放大，同時為了滿足實際的需求，將監(jiān)控畫面按照不同顏色需求進行劃分，清晰展示各類數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

為了提升刮板輸送機工作過程中的安全性，本文對刮板輸送機監(jiān)控及故障檢測系統(tǒng)進行研究，首先根據(jù)監(jiān)控主機方案，給出了監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)，選擇以STM32F103VB 為系統(tǒng)的CPU 和萬維顯示屏作為監(jiān)控裝置的顯示屏，同時對軟件進行分析，給出了監(jiān)控系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了刮板輸送機監(jiān)控及故障檢測系統(tǒng)，為礦井刮板機的安全高效運行提供保障。