掘進設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用

甄智強

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西大同 037000）

0 引言

掘進工作作為綜合機械化采煤的前序工作，關系著煤礦生產(chǎn)的質(zhì)量和效率[1-2]。在實際生產(chǎn)過程中，掘進設備所在工作面環(huán)境比較惡劣，溫度高、煤塵濃度大，電磁干擾也較多，掘進設備比較容易發(fā)生故障。掘進機常見的故障有：截割電機由于負荷過大電流超載引起溫度過高造成的電機停轉(zhuǎn)或者電機燒壞；長期工作磨損或者操作不當引起的減速機的機械結構例如花鍵、軸承、齒輪發(fā)生斷裂；液壓油泵或者電機損壞造成液壓油壓力異常引起運輸機部動作異常；供水異常或者噴霧泵損壞造成噴霧系統(tǒng)異常[3-6]。掘進設備故障將會極大拖延掘進工作進度，且掘進工作面內(nèi)進行檢修相對不便，將會極大損害煤礦生產(chǎn)效益，甚至可能影響生產(chǎn)人員安全。為了保證掘進工作的順利進行，需要對掘進設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，在發(fā)生故障時可以提前預警，較快做出檢修反應，保障設備安全穩(wěn)定運行，同時保護工人安全，提高煤礦生產(chǎn)的自動化水平，減少工人工作量，為企業(yè)增加經(jīng)濟效益。

1 總體方案

掘進設備作為煤礦生產(chǎn)的大型設備之一，涉及電氣、液壓、機械等部分，目前煤礦生產(chǎn)中較為常用的是懸臂式掘進機[7-8]。掘進裝置的監(jiān)測主要針對掘進設備的重要部件如電機、泵、電氣設備等。

監(jiān)測系統(tǒng)針對各結構單元進行監(jiān)測，主要結構包括現(xiàn)場以MCU（微處理器）為核心的智能采集監(jiān)測層和井上遠程監(jiān)測中心層。智能監(jiān)測層包括傳感器部分、信號采集調(diào)理電路、MCU、聲光報警器、LCD顯示模塊和網(wǎng)絡接口電路等。能夠完成對各設備結構狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、變換、處理、根據(jù)結果執(zhí)行聲光報警，并將處理結果傳輸給遠程監(jiān)測中心工控機進行數(shù)據(jù)顯示、儲存、分析。遠程監(jiān)測中心則由一臺工業(yè)控制計算機和顯示器組成，可對經(jīng)由通信網(wǎng)絡而來的數(shù)據(jù)及處理結果進行顯示、儲存、進一步分析統(tǒng)計。通信網(wǎng)絡則依據(jù)工業(yè)現(xiàn)場總線技術進行構建，保障系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構

2 監(jiān)測系統(tǒng)設計

綜合考慮掘進機工作原理以及實際生產(chǎn)情況對掘進設備的關鍵部件進行了監(jiān)測模塊層設計。分別選用電流傳感器、傾角傳感器、壓力傳感器、振動傳感器和瓦斯傳感器等對布置在監(jiān)測點反映設備運行狀態(tài)參數(shù)進行實時地檢測，由數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路進行采集、放大、濾波、轉(zhuǎn)換并且傳輸給數(shù)據(jù)處理單元MCU，由MCU內(nèi)嵌程序?qū)Y構的狀態(tài)參數(shù)進行判斷，決定執(zhí)行聲光報警與否。監(jiān)測模塊不僅將異常數(shù)據(jù)判斷結果反饋給顯示屏決進行可視化呈現(xiàn)，還將具體數(shù)據(jù)實時傳輸給遠程監(jiān)測中心工控機。操作人員可根據(jù)監(jiān)測結論對掘進運行檢修工作進行調(diào)整，保障設備安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

2.1 硬件分析選型

監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件設備包括各種傳感器、微處理器（MCU）、遠程工控機、通信線纜、電路板、電源等。MCU選擇ST（意法）公司設計生產(chǎn)的微處理器STM32 L0系列超低功耗MCU，擁有64 kB閃存、8 kB RAM，采用64引腳封裝。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x擇山東中煤工礦集團生產(chǎn)制造的GJC4型煤礦用低濃度甲烷傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)將井下工作環(huán)境中的CH4濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栞斔徒o數(shù)據(jù)采集處理設備，具有結構簡單、實用性能可靠的特點。振動傳感器則選擇蘭德科技生產(chǎn)的BZ11壓電式加速度振動傳感器，利用壓電晶體的正壓電效應轉(zhuǎn)換原理制成。該傳感器穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，適用于煤礦生產(chǎn)環(huán)境。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊設計

系統(tǒng)監(jiān)測包括對工作環(huán)境的瓦斯（甲烷）濃度監(jiān)測、溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測和掘進設備各部件結構的監(jiān)測。液壓系統(tǒng)監(jiān)測分別利用溫度傳感器、壓力傳感器對油缸的液壓油溫、油壓進行檢測，實現(xiàn)液壓油溫、油壓判斷液壓系統(tǒng)狀態(tài)評估，當油溫過高或壓力異常時發(fā)出警告；此外針對液壓電機進行電流電壓監(jiān)測。

截割系統(tǒng)監(jiān)測包括對截割電機的電壓、電流情況的監(jiān)測、繞組溫度的監(jiān)測，以及利用加速度傳感器對傳動軸、截割減速器機械振動的檢測監(jiān)控。噴霧系統(tǒng)監(jiān)測針對外部供水流量、水泵液壓馬達壓力進行監(jiān)測。此外還對行走部、裝載部、運輸部的液壓馬達的壓力監(jiān)測，對設備本體部進行振動監(jiān)測以及機身傾角監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測模塊的結構如圖2所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測模塊結構

2.3 通信網(wǎng)絡結構設計

利用現(xiàn)場總線技術并結合設備情況對遠程監(jiān)測系統(tǒng)通訊結構進行了設計。MCU通過8個數(shù)據(jù)管腳實現(xiàn)與1602顯示屏的數(shù)據(jù)傳遞，通過RS、RW、EN3個管腳實現(xiàn)對LCD屏的控制。MCU與遠程監(jiān)測中心工控機利用RS-485串口通信連接，利用USB接口和USB/RS-485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)遠距離抗干擾傳輸。傳感器采集狀態(tài)信息通過外設的的數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路實現(xiàn)與MCU數(shù)據(jù)對接，選用的MCU自帶12路ADC，可實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。STM32L0與LCD1602之間連接如圖3所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊流程

圖3 LCD1602與STM32連接圖

3 軟件程序設計

為了實現(xiàn)對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、計算處理以及傳輸，需對監(jiān)測系統(tǒng)的核心處理器進行軟件編程。針對系統(tǒng)選用的STM32 MCU，選擇廣泛應用于ARM內(nèi)核MCU開發(fā)的Keil微控制器軟件開發(fā)平臺。Keil平臺提供了功能較為強大的開發(fā)環(huán)境（uvision），是一個集成了C語言編譯器、宏匯編語言以及連接器、庫管理、仿真調(diào)試器的整體開發(fā)方案。且Keil for ARM的界面和VC++的界面十分相似，界面比較友好，應用廣泛、方便工程人員學習使用，可同時完成程序調(diào)試、軟件仿真方面的工作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊一般流程如圖4所示。

4 實際應用

對監(jiān)測系統(tǒng)進行實際應用，實踐表明，系統(tǒng)可實現(xiàn)對結構的狀態(tài)參數(shù)的自動采集、處理、故障聲光報警等功能?？蛇h程對環(huán)境參數(shù)、運行參數(shù)溫濕度、瓦斯?jié)舛?、振動值、壓力、傾角進行顯示監(jiān)測。在使用過程中發(fā)生截割部振動值異常報警，操作人員停機檢查，發(fā)現(xiàn)振動異常由截割頭部遇到硬巖石作業(yè)引起回轉(zhuǎn)油箱軸銷脫位松動引發(fā)，經(jīng)過檢修及時排除了隱患，避免了更大損失；在設備液壓系統(tǒng)電機溫度過高時系統(tǒng)也提前發(fā)了出聲光報警；表明系統(tǒng)可以及時給予運行人員準確提示，保護設備及人員安全。

5 結束語

本文結合相關資料以及生產(chǎn)實際情況研究并設計了一套針對煤礦掘進設備的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要實現(xiàn)對掘進機運行環(huán)境及主要設備的遠程動態(tài)監(jiān)測，同時在發(fā)生故障時能夠?qū)崿F(xiàn)預警。經(jīng)過現(xiàn)場運行測試表明，系統(tǒng)可較好地完成預期目的，可對監(jiān)測結果進行顯示、計算、儲存，自動對運行情況正常與否進行判斷和報警，且具有實時性好、可視化、自動化程度高等特點，能夠有效保障掘進設備安全正常，提高掘進工作穩(wěn)定可靠性，保護工人安全，為企業(yè)增加經(jīng)濟效益。