刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及現(xiàn)場應(yīng)用研究

張二平

（霍州煤電集團(tuán)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(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用到了井下煤礦開采中。由于井下環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)時常發(fā)生各類安全故障，其中，設(shè)備中的減速器、液力耦合器、發(fā)動機(jī)等部件的故障率占整個設(shè)備的75%左右，由于井下設(shè)備的開采作業(yè)相對閉環(huán)，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)維修情況，嚴(yán)重影響著其他設(shè)備的正常運行，也給井下作業(yè)安全構(gòu)成了重要威脅[1]。當(dāng)前，雖在設(shè)備中添加了控制系統(tǒng)，但監(jiān)控范圍及參數(shù)值相對較小，準(zhǔn)確性較低，無法對設(shè)備的運行狀態(tài)及諸多故障類型進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，整體智能化控制程度較低[2]。為此，將當(dāng)前更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到設(shè)備的實際作業(yè)中，提升刮板輸送機(jī)中監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，已成為企業(yè)關(guān)注的重要任務(wù)。

1 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在問題分析

1）當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)部分參數(shù)的就地監(jiān)控，無法將采集數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端的控制中心，也未與整個煤礦監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成化一體統(tǒng)一設(shè)計及遠(yuǎn)程管理[3]；

2）設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)大多能實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的顯示，但存在采集及分析處理數(shù)據(jù)無法實時保存、顯示界面內(nèi)容無法調(diào)整的問題，同時，人員無法通過顯示屏對設(shè)備的安全控制功能進(jìn)行操作控制[4]；

3）設(shè)備的運行參數(shù)無法通過快速方式，在顯示屏中進(jìn)行實時顯示，并無法通過顯示界面對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制；

4）設(shè)備控制系統(tǒng)所使用的檢測儀器的使用壽命較短，所采集的數(shù)據(jù)大多都是通過傳統(tǒng)的基頻方式進(jìn)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(huán)境相對復(fù)雜，所設(shè)計控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在較大信號干擾，且所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性也相對較差，極容易出現(xiàn)信息誤報問題。

為此，有必要以現(xiàn)有的刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開展監(jiān)控系統(tǒng)的升級設(shè)計研究。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

結(jié)合當(dāng)前刮板輸送機(jī)中監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀，開展了刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級設(shè)計研究。所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)包括了配套傳感器、脈沖信號調(diào)節(jié)電路、通訊電路、保護(hù)電路、驅(qū)動電路、電源電路、STM32F103處理器、人機(jī)界面、RS485通訊接口、聲光報警等部分。其中，傳感器包括了轉(zhuǎn)速、溫度、流量、液位、壓力等傳感器，能實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)作業(yè)時關(guān)鍵參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集，通過RS485接口，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)電路信號轉(zhuǎn)換后，傳輸至STM32F103處理器中進(jìn)行信號的分析判斷和處理，分析判斷后的數(shù)據(jù)則通過人機(jī)顯示界面，將其再進(jìn)行參數(shù)的實時顯示，若設(shè)備某一部分發(fā)生異常情況時，則系統(tǒng)將會通過聲光報警模塊及時發(fā)出提示，并在人機(jī)顯示界面中顯示[6]。另外，所有監(jiān)控數(shù)據(jù)可通過RS485接口和CAN總線通訊接口，完成與井下其他設(shè)備之間的信號傳輸，由此，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和集成化設(shè)計。刮板輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案框架如下頁圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案框架圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)主要分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 溫度控制電路設(shè)計

刮板輸送機(jī)在作業(yè)時，若散熱效果不好，加上井下通風(fēng)效果不佳，極容易出現(xiàn)設(shè)備工作溫度升高現(xiàn)象。為此，設(shè)計了設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換為4~20 mA的電流信號，最后轉(zhuǎn)換為CPU能識別的電壓信號，當(dāng)溫度超過設(shè)置的閥值時，該電路將執(zhí)行切斷電機(jī)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(xiàn)對設(shè)備上溫度數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)電路設(shè)計

為實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)運行狀態(tài)的實時評估，實現(xiàn)對耦合器輸出轉(zhuǎn)速的監(jiān)控功能，故需對整個電路中的信號進(jìn)行脈沖調(diào)節(jié)。因此，所設(shè)計的脈沖信號調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速傳感器將采集的數(shù)據(jù)以脈沖信號方式進(jìn)行發(fā)出，輸入值Din端，經(jīng)過74HC14芯片和觸發(fā)器，傳輸至鉗位電路中，最終由CPU進(jìn)行信號捕捉和采集調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)對傳感器脈沖信號的調(diào)節(jié)控制。

圖4 脈沖信號調(diào)節(jié)電路

3.3 電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計

整個監(jiān)控系統(tǒng)中所采用的電壓包括了DC24V、DC12V和DC5V等，需經(jīng)過電壓的轉(zhuǎn)換后，方可為監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)計了電壓調(diào)節(jié)電路。在該電路中，包括了穩(wěn)壓電路和嵌位電路，可實現(xiàn)對不同電壓的相互轉(zhuǎn)換。例如：由于單片機(jī)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(nèi)，再經(jīng)過比例電路處理后，按照一定的比值關(guān)系，將電壓值轉(zhuǎn)換為0~3.3 V范圍內(nèi)，以供單片機(jī)和CPU的正常使用。同時，該電路僅需3個階段的電壓調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)24路模擬量信號的調(diào)節(jié)，大大簡化了整個調(diào)節(jié)電路的復(fù)雜性。電壓調(diào)節(jié)電路如圖5所示。

圖5 電壓調(diào)節(jié)電路圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在完成整套監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計后，為進(jìn)一步掌握該系統(tǒng)的可靠性及綜合性能，將該系統(tǒng)在SGZ1710型刮板輸送機(jī)中進(jìn)行了實際應(yīng)用測試，測試過程中主要是對該監(jiān)控系統(tǒng)的信號采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備運行狀態(tài)顯示及遠(yuǎn)程操作控制等方面進(jìn)行了實際應(yīng)用測試，測試周期為6個月。經(jīng)過測試可知，該監(jiān)控系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠，所采集的設(shè)備狀態(tài)包括了工作電壓、溫度、行進(jìn)速度、工作時間、最大功率、啟停操作控制等，實現(xiàn)了將設(shè)備中各關(guān)鍵元器件與監(jiān)控系統(tǒng)之間的RS485通訊及信號傳輸，刮板輸送機(jī)的各項作業(yè)狀態(tài)則通過監(jiān)控顯示界面進(jìn)行了實時顯示，同時，人員可根據(jù)設(shè)備的運行需求，對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)各類故障問題時，也能通過該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行操作干預(yù)，實現(xiàn)了整個過程的智能化遠(yuǎn)程控制需求。據(jù)統(tǒng)計，測試期間，設(shè)備的故障率降低了將近40%，煤礦開采效率提高了將近30%，達(dá)到了預(yù)期效果。