綜采工作面輸送設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉葛成

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)鹿臺(tái)山煤業(yè)有限公司，山西晉城 048200）

0 引言

綜采工作面的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，其中被稱為輸送“三機(jī)”的刮板運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)成了綜采工作面輸送系統(tǒng)[1]。綜采工作面輸送設(shè)備是煤炭開采的重要設(shè)備，必需對其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并發(fā)出警報(bào)?，F(xiàn)有綜采工作面輸送設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置存在體積大、安裝困難、功能不完善等缺點(diǎn)，為了降低其體積重量，提高監(jiān)測裝置的性能，本文研究了一種新型綜采工作面輸送設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對綜采工作面的各種設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義[2-8]。

1 輸送設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

圖1 綜采工作面輸送設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際，經(jīng)過對輸送設(shè)備全面分析后，設(shè)計(jì)的綜采工作面輸送設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)由1 個(gè)監(jiān)測總站（一般設(shè)在刮板輸送機(jī)機(jī)頭位置）、3 個(gè)分站以及它們之間的通訊組成。4 臺(tái)監(jiān)測主機(jī)之間采用內(nèi)部通訊，機(jī)頭的主機(jī)與控制列車采用外部通訊，總站主機(jī)將所有主機(jī)采集的狀態(tài)信息上傳至上位機(jī)。各監(jiān)測主機(jī)分別監(jiān)測刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾，破碎機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)，主要的監(jiān)測對象是這些設(shè)備的液力耦合器、電機(jī)及其減速器。監(jiān)測主機(jī)都配置有彩色顯示器，能夠顯示控制器的控制參數(shù)和狀態(tài)曲線，供工作人員進(jìn)行現(xiàn)場觀察。

2 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分包括監(jiān)測主機(jī)結(jié)構(gòu)、溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、多路模擬量巡檢切換電路、故障指示燈電路、紅外接收電路、其他功能電路等。

2.1 監(jiān)測主機(jī)

監(jiān)測主機(jī)的硬件部分包括電源、人機(jī)界面、RS485 通訊、主控板、信號(hào)采集與隔離、485/CAN通訊單元、閾值預(yù)警輸出、鍵盤面板等模塊。圖2 所示為監(jiān)測主機(jī)結(jié)構(gòu)圖。對于每個(gè)主機(jī)，其單機(jī)結(jié)構(gòu)都相類似，由監(jiān)測主機(jī)、本安電源和傳感器模塊組成。監(jiān)測主機(jī)采用ARM Cortex-3 LPC1768 作為主控制器?？刂破骱惋@示器的供電電源分別為12 V和24 V，采用西安某公司設(shè)計(jì)的隔爆兼本安電源。傳感器模塊包括10 路溫度通道，10路模擬量通道，實(shí)現(xiàn)本地電機(jī)、減速器狀態(tài)量采集。

圖2 監(jiān)測主機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)采集與調(diào)理電路是監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)對監(jiān)測需求的分析，以最大19路監(jiān)測量為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了24路監(jiān)測通道。監(jiān)測通道分為溫度通道和20 mA 調(diào)理通道。溫度傳感器采用PT100，采用三線接法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的非線性矯正電路和電流電壓轉(zhuǎn)換電路。溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。20 mA信號(hào)調(diào)理電路采用電磁隔離和高效能回路竊電技術(shù)五元隔離模塊T1 100 L，此外還配備了ADC轉(zhuǎn)換通道的選通。

圖3 溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

2.3 多路模擬量巡檢切換電路

如果1 臺(tái)主機(jī)與1 個(gè)設(shè)備對應(yīng)監(jiān)測，不僅會(huì)增加井下設(shè)備，降低系統(tǒng)的可靠性，還會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的成本，造成資源浪費(fèi)。為了避免這種情況發(fā)生，本系統(tǒng)在模擬量采集電路中設(shè)計(jì)了多路巡檢電路，即1臺(tái)主機(jī)采用多路巡檢技術(shù)后，能夠同時(shí)監(jiān)測2個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了資源共享，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖4 所示為模擬量巡檢切換原理圖，選用的LPC1768 是 8 通道 ADC 芯片，配合多路復(fù)用器 MAX4518 后，每個(gè)通道都可以擴(kuò)展為3 個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)了24 路模擬通道的切換。

圖4 模擬量巡檢切換原理圖

2.4 故障指示燈電路

井下運(yùn)輸設(shè)備的工作環(huán)境特殊，當(dāng)綜采工作面出現(xiàn)特殊情況，監(jiān)測系統(tǒng)必須具有聲光預(yù)警功能，引起工作人員注意并采取相應(yīng)急停措施，防止出現(xiàn)重大事故。故障報(bào)警分為聲光兩部分，聲音報(bào)警采用固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路，采用光耦驅(qū)動(dòng)通道；燈光報(bào)警有兩路，分別給到本地指示燈和遠(yuǎn)程報(bào)警電路，故障報(bào)警燈原理圖如圖5所示，采用三極管Q2驅(qū)動(dòng)REDL紅色燈。

圖5 故障報(bào)警燈原理圖

2.5 其他功能電路

其他功能電路包括存儲(chǔ)電路、電源與驅(qū)動(dòng)板電路、時(shí)鐘功能等，為了防止外部電磁信號(hào)干擾，還應(yīng)該設(shè)計(jì)相應(yīng)的防雷電路、高頻信號(hào)去耦電路和旁路電路。

3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件

根據(jù)監(jiān)控主機(jī)的功能需求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的程序。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化模塊、信號(hào)處理模塊、人機(jī)交互模塊、中斷響應(yīng)模塊和通信模塊。

3.1 總站和分站的主程序

總站和分站的主程序流程略有不同，除了初始化，模擬量采集處理、人機(jī)界面控制和閾值預(yù)警部分相同，在Modbus通信模塊略有不同，總站的主程序內(nèi)還應(yīng)包括與上位機(jī)通訊程序。主程序開始執(zhí)行后，首先進(jìn)行各部分初始化，控制器統(tǒng)一對外圍設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，根據(jù)預(yù)定的中斷優(yōu)先級(jí)協(xié)調(diào)各子程序運(yùn)行。在相應(yīng)中斷后，程序還能響應(yīng)鍵盤輸入的指令，執(zhí)行相關(guān)命令?？傉竞头终镜闹鞒绦蛄鞒虉D如圖6所示。

圖6 總站和分站的主程序流程圖

3.2 信號(hào)采集和處理子程序

系統(tǒng)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)有溫度信號(hào)、壓力信號(hào)、油位信號(hào)和流量信號(hào)。除溫度采集電路選用專用PT100 鉑電阻進(jìn)行采集電阻信號(hào)，其余三者均為電流信號(hào)。通過簡單轉(zhuǎn)換將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)，然后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小于2 V的電壓信號(hào)，輸入AD芯片。AD值和傳感器的測量值M之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式中：Mmin和Mmax分別為傳感器測范圍的下限和上限；N 為ADC芯片處理后數(shù)字量。

為了減小信號(hào)采集的誤差，除了采樣電路中設(shè)置濾波電路，在信號(hào)采集和處理電路中也加入了相應(yīng)的濾波算法，本文采用平均值濾波，采集的數(shù)據(jù)拋棄最大值和最小值后取右移指令平均，然后將結(jié)果經(jīng)由式（1）進(jìn)行計(jì)算。傳感器的輸出電流范圍為4～20 mA，當(dāng)監(jiān)測到小于4 mA，可判斷為傳感器接觸不良或電源未接通，當(dāng)監(jiān)測到大于20 mA，可判斷為傳感器故障。在程序加入了相應(yīng)的判斷語句進(jìn)行傳感器的故障診斷。信號(hào)采集和處理子程序如圖7所示。

圖7 信號(hào)采集和處理子程序流程圖

4 結(jié)束語

為保證煤礦井下運(yùn)輸設(shè)備的安全運(yùn)行，本文對綜采工作面輸送設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和詳細(xì)的軟硬件總體設(shè)計(jì)，完善了總裁工作面輸送設(shè)備的安全系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的主從式監(jiān)測主機(jī)采用了先進(jìn)的通訊技術(shù)，減小了當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測裝置的體積重量，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。