采煤機(jī)電氣部件安全運(yùn)行與故障診斷研究

李飛飛

（山西焦煤霍州煤電汾河焦煤公司三交河煤礦，山西霍州 031400）

0 引言

采煤機(jī)的工作位置是井下最重要、最危險(xiǎn)的前端生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到煤層、巖石的沖擊，使電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)。與此同時(shí)，由于工作環(huán)境的惡劣，采煤機(jī)極其容易受到現(xiàn)場(chǎng)煤塵、水霧等其他方面的污染，影響采煤機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命。對(duì)采煤機(jī)部件電氣安全和故障診斷的研究，一方面可提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，另一方面?？梢愿淖儭笆潞缶S修”或“定期維修”的現(xiàn)狀。采煤機(jī)的安全運(yùn)行與故障診斷的研究，需要解決煤礦井下數(shù)據(jù)獲取及電機(jī)故障類型分析兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。井下數(shù)據(jù)獲取主要通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、變頻器和各控制回路的關(guān)鍵參數(shù)的采集和傳輸。近年來(lái)學(xué)者們分別從數(shù)據(jù)傳輸[1]、語(yǔ)音報(bào)警[2-3]、故障監(jiān)測(cè)儀等方面進(jìn)行研究，奠定了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。本文作者通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)電氣部件的故障診斷。

1 采煤機(jī)電氣故障分析

1.1 電氣故障分類

采煤機(jī)電氣部件故障原因主要有短路或者斷路、絕緣下降、電器元器件損壞、接地或者回路內(nèi)連接處的接觸不良甚至斷線脫焊等[4-6]，導(dǎo)致的故障主要有：變頻器不啟動(dòng)或運(yùn)行報(bào)錯(cuò)、截割電機(jī)不啟動(dòng)或在運(yùn)行時(shí)跳閘、傳輸機(jī)不啟動(dòng)、采煤機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)掉電或者保護(hù)開關(guān)誤動(dòng)作。按照電動(dòng)機(jī)故障發(fā)生部位的不同，故障可以被分為定子故障、轉(zhuǎn)子故障及軸承故障。

1.2 常見故障分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的頻率，主要分析以下幾種常見故障:

（1）相間短路故障。在異步電機(jī)出現(xiàn)的所有故障當(dāng)中，相間短路是常見的故障之一，在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，占故障總數(shù)的很大一部分[7]。當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，繞組上的電流為電動(dòng)機(jī)額定電流的8～10倍，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速急劇下降。

（2）堵轉(zhuǎn)故障。堵轉(zhuǎn)故障是電機(jī)故障中最危險(xiǎn)的一種故障，在異步電機(jī)正常工作時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速差s≈0.05，堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速降低，接近于0，轉(zhuǎn)速差s≈1，等效電路圖如圖1所示。此時(shí)，如果電機(jī)仍然在額定電壓下工作，轉(zhuǎn)子的等效電阻減小約20倍，流過(guò)定子和轉(zhuǎn)子的電流將是額定電流的4～8倍。故障發(fā)生時(shí)間較長(zhǎng)則容易燒毀電機(jī)，在電機(jī)運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)早發(fā)現(xiàn)、早處理。

圖1 異步電機(jī)等效電路圖

（3）過(guò)載故障。當(dāng)采煤機(jī)的截割電機(jī)負(fù)載過(guò)大或者供電電壓、頻率降低時(shí)，電機(jī)發(fā)生過(guò)載故障。發(fā)生過(guò)載故障時(shí)，電機(jī)電流將會(huì)是額定電流的1～5倍，電機(jī)發(fā)熱，可能會(huì)燒壞導(dǎo)線的絕緣層或者加速導(dǎo)線絕緣的老化，減少電機(jī)的使用壽命。在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)性過(guò)載和穩(wěn)定性過(guò)載，其中只有穩(wěn)定性過(guò)載對(duì)異步電機(jī)產(chǎn)生危害[8]。

（4）斷相故障。斷相故障會(huì)使流過(guò)繞組的三相電流不對(duì)稱，產(chǎn)生負(fù)序電流。斷相故障發(fā)生在異步電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中時(shí)，流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為額定電流的0.866倍，電機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)；斷相故障發(fā)生在正常運(yùn)行電機(jī)上時(shí)，如果負(fù)載不變，電流將是額定電流的2倍以上，嚴(yán)重影響電機(jī)正常工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)異步電機(jī)常見故障的分析可以得知，需要采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)主要為采煤機(jī)各個(gè)部位電機(jī)的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)，采煤機(jī)的電氣故障數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee模塊上實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)顯示軟件。

2.1 Zigbee模塊電源設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，選用Zigbee模塊的芯片為CC2530芯片，該芯片的外部供電電壓范圍是2.0～3.6 V，工作頻率為2.4 GHz。協(xié)調(diào)器電路是ZigBee硬件電路中重要的一部分，主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，ZigBee協(xié)調(diào)器需要持續(xù)工作，不能斷電。供電方式選擇為外部供電。電源電路如圖2所示，其中系統(tǒng)電源輸入電壓為12V直流電，經(jīng)過(guò)LT1129-3.3降壓芯片，輸出3.3V電壓，供給ZigBee協(xié)調(diào)器使用。同時(shí)，為了增加輸出電壓的穩(wěn)定性，在電壓輸出端并聯(lián)了兩個(gè)電容，一個(gè)0.1μF的貼片電容和一個(gè)10μF的鉭電容。

2.2 串口通訊設(shè)計(jì)

Zigbee模塊可以選擇的串口通訊方式有RS-232、RS-485和USB，該系統(tǒng)采用的通訊方式是RS-232通訊，利用MAX3232ESE實(shí)現(xiàn)TTL和RS-232之間的電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。其中RX1、TX1接單片機(jī)的串口，RX232-1、TX232-1分別接Zigbee模塊的RS-232專用串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，為了增加系統(tǒng)的擴(kuò)展性，預(yù)留一路串口，方便以后硬件結(jié)構(gòu)的升級(jí)。

圖2 電源電路圖

圖3 串口通訊電路

2.3 外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘

考慮到數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，在Zigbee協(xié)調(diào)器電路中增加外部時(shí)鐘模塊，可以為Zigbee協(xié)調(diào)器提供精確的時(shí)鐘信息。外部時(shí)鐘芯片選用SD2200時(shí)鐘芯片，該芯片具有內(nèi)部晶振，支持I2C總線接口，每年的誤差在2.5 min以內(nèi)。SD2200內(nèi)部具有電池，可以在沒(méi)有外部電源的條件下連續(xù)工作5年。電路原理圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 SD2200實(shí)時(shí)時(shí)鐘

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于Keil5軟件環(huán)境開發(fā)，采用C語(yǔ)言編寫，程序主要實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)采集、I/O控制、異步串口通訊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。Keil5軟件集成了多種函數(shù)庫(kù)文件，可以方便地進(jìn)行編譯，提高編程效率。程序流程圖如圖5所示，程序的主要功能是完成傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖5 軟件流程圖

3.2 基于VB的上位機(jī)設(shè)計(jì)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要軟件平臺(tái)在VB的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取，主要顯示的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以繪制出整個(gè)工作過(guò)程中電機(jī)電流、電壓的變化曲線，方便后續(xù)的分析。根據(jù)故障診斷的需求，在上位機(jī)界面可以選擇不同位置電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示和故障分析。上位機(jī)界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)界面示意圖

4 總結(jié)

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采煤機(jī)電機(jī)故障進(jìn)行分類總結(jié)，得出不同電機(jī)故障的電壓、電流特性，為故障診斷方法奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)故障診斷的需求，從硬件、軟件兩方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵部件的故障診斷，為采煤機(jī)電氣部件的安全運(yùn)行提供可靠保障。該研究還存在一些不足：可以開發(fā)Zig?bee協(xié)調(diào)器電路GPRS傳輸通道，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠保障；上位機(jī)界面需要進(jìn)一步的優(yōu)化，可以增加歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。