采煤機搖臂運行監(jiān)測及故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與研究

劉計平

(山西柳林煤礦有限公司，山西 柳林 033300)

0 引言

采煤機作為井下煤礦開采的核心設(shè)備之一，在綜采生產(chǎn)中主要承擔落煤和裝煤的任務(wù)，其工作效率及運行穩(wěn)定性對于井下煤礦開采效率至關(guān)重要。由于井下惡劣的工作環(huán)境，當采煤機遇到較大的沖擊負荷或長期重載運行等情況時，其截割部軸承、齒輪及滾筒等關(guān)鍵部件極易發(fā)生嚴重摩擦甚至損壞，從而嚴重影響采煤效率，甚至發(fā)生安全事故。而在眾多采煤機故障情況中，搖臂的故障率占比高達50%左右，因此針對采煤機搖臂進行健康狀態(tài)監(jiān)測及故障預(yù)警診斷顯得尤為重要。

目前國內(nèi)許多中小型煤礦針對采煤機搖臂的監(jiān)測及故障預(yù)警診斷仍采用傳統(tǒng)的人工巡檢方法，不僅效率低下，而且會耗費大量人力。同時人工方式的檢修結(jié)果受人為因素影響較大，通常只能發(fā)現(xiàn)較為明顯的故障，因此需要通過更為智能的監(jiān)測系統(tǒng)對采煤機搖臂進行自動化監(jiān)測及全面故障預(yù)警診斷[1-4]。由于國內(nèi)針對采煤機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)起步較晚，大部分系統(tǒng)的監(jiān)測范圍不全面、故障預(yù)警及診斷水平低下，系統(tǒng)整體可靠性及功能性不夠理想。針對上述問題，本文設(shè)計了一套以STC單片機為控制核心的采煤機搖臂監(jiān)測系統(tǒng)，并通過傳感器及總線通信技術(shù)實現(xiàn)較為全面的參數(shù)監(jiān)測及故障位置的迅速確定，從而可有效降低采煤機的故障率。

1 搖臂運行監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

采煤機在井下惡劣的工作環(huán)境中長期重載運行，存在著搖臂極易發(fā)熱以及內(nèi)部齒輪、軸承等重要部件磨損失效等問題，因此在確定監(jiān)控系統(tǒng)總體方案之前，首先需要確定系統(tǒng)的監(jiān)測對象及監(jiān)測方案。首先針對搖臂發(fā)熱問題，需通過溫度傳感器對搖臂的油箱、齒輪箱、軸承、臂身等關(guān)鍵部位的溫度參數(shù)進行實時采集；其次針對搖臂內(nèi)齒輪、軸承的磨損問題，可通過振動傳感器對上述部件的振動位移量進行監(jiān)測。

根據(jù)上述對監(jiān)測點及相應(yīng)監(jiān)測量的分析，本文采用分布式結(jié)構(gòu)對監(jiān)測系統(tǒng)進行架構(gòu)，系統(tǒng)整體可分為井上監(jiān)控層、下位機監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層，搖臂運行監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 搖臂運行監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，系統(tǒng)按照功能可大致劃分為上位機監(jiān)控模塊、現(xiàn)場觸摸屏監(jiān)測模塊、單片機控制模塊、運行參數(shù)采集模塊及電源模塊五大部分。上位機監(jiān)控模塊的人機交互界面用于搖臂參數(shù)的實時顯示及相應(yīng)控制、報警指令的下達，可通過CAN總線與下位機進行通信?，F(xiàn)場監(jiān)測模塊主要由現(xiàn)場觸摸屏構(gòu)成，觸摸屏也可對運行參數(shù)實時顯示，同時現(xiàn)場工人可在井下通過觸摸屏根據(jù)顯示參數(shù)對系統(tǒng)標定參數(shù)、報警參數(shù)等進行設(shè)置，現(xiàn)場監(jiān)測模塊采用Modbus協(xié)議通過RS-485與單片機控制核心進行通信。下位機監(jiān)控層主要由兩個STC主控芯片和多路振動傳感器及溫度傳感器組成，其中兩個主控芯片分別位于采煤機搖臂的前臂和后臂，用于收集并處理采煤機前后搖臂的溫度及振動位移量數(shù)據(jù)。下位機監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 下位機監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

由于溫度傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)需通過變送器轉(zhuǎn)換為幅值很小的電壓信號進行輸出，因此首先需要對該信號進行放大，然后經(jīng)濾波等調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路處理后轉(zhuǎn)換為單片機可處理的輸入信號。而采煤機搖臂的振動位移量通常很小，因此由振動傳感器所采集的信號也需經(jīng)過放大處理，同時為了保證信號傳輸?shù)目煽啃?，還需將振動傳感器輸出的電流信號通過I/V調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出至單片機輸入端。STC主控芯片在接收到搖臂運行數(shù)據(jù)后，通過預(yù)置報警程序判斷參數(shù)是否超限，如果超限就會進行報警操作，并通過Modbus協(xié)議將工況參數(shù)實時上傳至人機交互界面顯示。

2 硬件方案設(shè)計

本監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由以下部分組成：①STC主控芯片，主要用于接收和處理來自傳感器的搖臂參數(shù)信號；②溫度及振動傳感器，用于現(xiàn)場搖臂參數(shù)的實時采集；③電源模塊，為主控芯片及傳感器供電。同時為了保證信號的可靠傳輸，整個系統(tǒng)的硬件電路主要包括信號放大電路及I/V轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊及通信接口均使用STC單片機內(nèi)部集成的模塊。

結(jié)合以上對系統(tǒng)監(jiān)控功能的分析，本系統(tǒng)的主控芯片選用IAP15W4K58S4-30型STC單片機，其內(nèi)部具有38個I/O通用接口，具備8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和4個獨立異步串行通信端口UART，同時片內(nèi)還集成6路PWM及7個具備預(yù)分頻功能的定時/計數(shù)器，可完全滿足本系統(tǒng)的端口數(shù)量、A/D轉(zhuǎn)換及串行通信等功能需求。

本文選用K型熱電偶對搖臂油箱、齒輪箱、軸承、臂身等關(guān)鍵部位進行溫度數(shù)據(jù)采集。K型熱電偶具有靈敏度較高、抗氧化能力強、性價比高等優(yōu)點，其溫度測量范圍為0～300 ℃，為了保證輸出線性，其輸出信號為0～4 mV小電壓信號，需通過信號放大電路進行處理[5-7]。本文選用CYT9200型振動傳感器對搖臂齒輪、軸承等重要部件的振動速度進行實時采集，CYT9200的量程為0～50 mm/s，頻率響應(yīng)為10 Hz～1 000 Hz，輸出信號為4 mA～20 mA電流信號，需通過I/V轉(zhuǎn)換電路進行處理后再輸入至單片機A/D模塊中。

本系統(tǒng)主控芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號為0～5 V電壓信號，故振動傳感器所采集的4 mA～20 mA電流信號需通過I/V轉(zhuǎn)換電路進行處理[8]。本系統(tǒng)所設(shè)計的I/V轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示。

圖3 I/V轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖3中的A1起到了射極跟隨器的作用，通過調(diào)節(jié)電位器R1可使其輸入基準電壓穩(wěn)定為1 V。4 mA～20 mA電流信號經(jīng)R3轉(zhuǎn)換為1 V～5 V電壓信號，再經(jīng)差分放大電路最終輸出0～5 V電壓信號，最終輸入至STC單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端中。

本文選用OP07運算放大器對K型熱電偶信號放大電路進行設(shè)計，其電路原理圖如圖4所示。其中OP07起到了差分放大器的作用，兩個測溫及參考熱電偶分別用于測量搖臂關(guān)鍵部位溫度和環(huán)境溫度，測溫熱電偶上的溫度變化會轉(zhuǎn)換為電勢量經(jīng)放大后輸出所需的電壓信號。

圖4 測溫放大電路原理圖

3 軟件方案設(shè)計

采煤機搖臂監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要分為下位機監(jiān)測子系統(tǒng)和上位機交互子系統(tǒng)兩部分，其中下位機監(jiān)測子系統(tǒng)主要功能包括運行參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信等；上位機子系統(tǒng)主要用于參數(shù)的實時顯示、傳感器等設(shè)備參數(shù)標定、報警參數(shù)設(shè)定等，系統(tǒng)軟件具體功能如圖5所示。

圖5 采煤機搖臂運行監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能圖

本監(jiān)測系統(tǒng)主程序的功能是對采煤機搖臂上的多路傳感器信號進行循環(huán)采集與處理。系統(tǒng)初始化后首先判斷傳感器信號來自于前臂還是后臂，并打開測溫熱電偶開關(guān)和串口中斷進行數(shù)據(jù)收發(fā)，當采集完熱電偶冷端溫度補償參數(shù)后依次采集各傳感器的參數(shù)，最后檢測溫度傳感器無故障后斷開測溫熱電偶開關(guān)，主程序流程如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)采煤機搖臂監(jiān)測系統(tǒng)的不足，以STC單片機為控制核心結(jié)合總線通信技術(shù)設(shè)計了一套監(jiān)測參數(shù)全面、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高的采煤機搖臂運行監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)采煤機搖臂關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測與故障精準定位，保證了采煤機安全高效運行。

圖6 主程序流程圖