采煤機搖臂截割安全監測系統的應用研究

牛 勇

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

引言

掘進機是煤礦井下綜采安全的核心，其運行的穩定性和可靠性直接決定了煤礦井下的綜采作業效率和綜采經濟性。采煤機在工作時，液壓系統驅動搖臂根據截割需求，不斷地調整綜采高度，使位于端部的截割機構將煤炭從煤壁上截割下來。由于井下地質環境復雜，因此采煤機在截割作業時作用在截割機構上的截割阻力不斷發生變化，給搖臂和傳動系統造成極大的沖擊，導致搖臂頻繁出現運行故障，而且搖臂傳動系統的平均使用壽命僅1.26 年，不僅嚴重影響了煤礦井下的綜采作業效率而且綜采截割經濟性低、安全性差，無法滿足高效截割的作業需求。

結合采煤機運行安全需求，本文提出了一種新的采煤機搖臂截割安全監測系統，綜合運輸多數據信息采集技術、抗干擾數據通信技術等，對采煤機搖臂運行時的關鍵參數進行動態監測，將監測數據進行自適應分析，實現對異常數據的快速識別和預警，根據實際應用表明，新的截割安全監測系統能夠將采煤機搖臂在運行過程中的故障率降低93.6%，將截割傳動系統使用壽命提升31.4%，對提升采煤機運行穩定性和可靠性具有十分重要的意義。

1 截割安全監測系統

根據采煤機井下綜采作業的實際需求，以滿足關鍵信息監測、運行狀態監控、故障識別及報警為核心，本文所提出了新的搖臂截割安全監測系統整體結構如圖1 所示[1]。

圖1 截割安全監測系統結構示意圖

由圖1 可知，該系統的核心為PLC 控制中心，采用了多點分布式的控制模式[2]。主要包括井上監控中心、井下現場監測以及采煤機信號采集三個部分。井上監控中心是該控制系統的監控終端，主要用于將井下的數據監測信息顯示到監測屏幕上，便于監控人員及時了解采煤機搖臂的運行狀態，在必要的時候可以通過控制中心發出控制信號，實現對搖臂運行狀態的遠程調控。井下監測系統是該控制系統的核心，主要用于對各類監測數據信息的匯總和處理，若其監測數據不在正常范圍內，系統自動進行報警并對異常進行分析，確定其來源，為快速故障排除奠定基礎。信號采集屬于該系統的“眼睛”，主要是通過布置在采煤機搖臂上的各類傳感器對搖臂的工作狀態進行實時監測，并將數據信息傳輸到井下監測系統內。

該控制系統通過模塊化的設計，實現了多功能的快速集成，能夠根據監測需求，靈活的調整監測數據，滿足對井下采煤機監測精確性的需求。

2 監測控制邏輯

為了滿足截割監控系統的應用可靠性，系統采用了以STC 單片機為核心的主控測試模式，實現對采煤機搖臂核心部件溫度、振動等信息的全面監測，該系統的監測控制邏輯如圖2 所示。

圖2 振動監測系統邏輯圖

由圖2 可知，該系統以RS485 通信協議為基礎，采用兩線制的通信模式[3]，可以實現多級同時通信，在進行溫度監測時，采用了K 型熱電偶，其具有0～4 mV的數據信號輸出能力，靈敏度高、可靠性好。對搖臂運行過程中振動情況的監測主要采用速度型振動傳感器，其輸出信號為0～20 mA，然后經過電流信號轉換，實現數據信息的穩定傳輸。

為了滿足控制系統的自檢功能，在系統內設置了自檢控制邏輯，以對溫度傳感器運行狀態的監測為例，當傳感器失效時其監測電流或者電壓信號會出現間斷或者大范圍的波動，因此系統對傳感器的監測信號進行不間斷監測，當信號出現異常時進行及時報警，并確認異常原因，便于監測人員及時進行故障排除。

3 溫度傳感器選型

對采煤機核心部件運行溫度的監控是確定采煤機各核心部件是否運行穩定的關鍵，因此在采煤機的搖臂上設置了5 組溫度傳感器，通過單片機芯片對每個采樣點的數據進行監控，為了進一步提升系統運行的節能性，在溫度傳感器狀態監控中，采用了多路模擬信號進行通道切換的方案[4]，系統將5 個監測點的監測信號通過A/D 轉換器進行信號轉換，然后傳輸到控制中心內，實現數據的快速傳遞，傳感器信號采集邏輯如圖3 所示。

圖3 傳感器信號采集邏輯示意圖

由于井下作業環境較為惡劣，因此對傳感器的工作精度和穩定性要求較高，在對多種傳感器的工作情況進行分析后，最終選擇了K 型熱電偶作為監測時的溫度傳感器，其具有靈敏度高、抗干擾能力強的優點，采用了1.3 mm 的熱電偶絲，輸出形式采用兩線制，輸出信號范圍在0～4 mV，靈敏度為4.1 mV/100 ℃，完全能夠滿足井下對采煤機搖臂運行時溫度變化的精確監測。

4 軟件控制邏輯

為了滿足通信控制，開發了全新的軟件控制邏輯，包括下位機軟件測試系統和上位機觸摸屏管理系統兩個部分，邏輯控制簡單、控制層次少，能夠實現對截割監測系統的實時監測和處理，滿足監測及時性和可靠性的需求，該軟件控制邏輯結構如圖4 所示[5]。

圖4 軟件控制系統結構

5 應用情況分析

為了對該搖臂截割監測系統的應用情況進行對比，對采煤機的截割控制系統進行升級改造，在相同的工況下進行截割測試，結果表明，采用新系統后，采煤機截割作業過程中的平均故障次數由最初的27.4次/月，降低到了目前的1.754 次/月，平均故障率降低了93.6%。截割傳動系統的平均使用壽命提升了31.4%，顯著的提升了采煤機搖臂的工作穩定性和使用壽命，該搖臂截割控制系統的界面如圖5 所示。

圖5 監測系統界面示意圖

6 結論

1）該監控系統的核心為PLC 控制中心，采用了多點分布式的控制模式，能夠滿足關鍵信息監測、運行狀態監控、故障識別及報警需求；

2）監測系統采用了以STC 單片機為核心的主控測試模式，實現對采煤機搖臂核心部件溫度、振動等信息的全面監測；

3）軟件控制系統包括了下位機軟件測試系統和上位機觸摸屏管理系統兩個部分，邏輯控制簡單、控制層次少，控制靈敏性高；

4）新的截割安全監測系統能夠將采煤機搖臂在運行過程中的故障率降低93.6%，將截割傳動系統使用壽命提升31.4%，對提升采煤機運行穩定性和可靠性具有十分重要的意義。