采煤機(jī)搖臂截割安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

牛 勇

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下綜采安全的核心，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和綜采經(jīng)濟(jì)性。采煤機(jī)在工作時(shí)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)搖臂根據(jù)截割需求，不斷地調(diào)整綜采高度，使位于端部的截割機(jī)構(gòu)將煤炭從煤壁上截割下來(lái)。由于井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此采煤機(jī)在截割作業(yè)時(shí)作用在截割機(jī)構(gòu)上的截割阻力不斷發(fā)生變化，給搖臂和傳動(dòng)系統(tǒng)造成極大的沖擊，導(dǎo)致?lián)u臂頻繁出現(xiàn)運(yùn)行故障，而且搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)的平均使用壽命僅1.26 年，不僅嚴(yán)重影響了煤礦井下的綜采作業(yè)效率而且綜采截割經(jīng)濟(jì)性低、安全性差，無(wú)法滿足高效截割的作業(yè)需求。

結(jié)合采煤機(jī)運(yùn)行安全需求，本文提出了一種新的采煤機(jī)搖臂截割安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜合運(yùn)輸多數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)、抗干擾數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，對(duì)采煤機(jī)搖臂運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)的快速識(shí)別和預(yù)警，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的截割安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒉擅簷C(jī)搖臂在運(yùn)行過(guò)程中的故障率降低93.6%，將截割傳動(dòng)系統(tǒng)使用壽命提升31.4%，對(duì)提升采煤機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。

1 截割安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)采煤機(jī)井下綜采作業(yè)的實(shí)際需求，以滿足關(guān)鍵信息監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障識(shí)別及報(bào)警為核心，本文所提出了新的搖臂截割安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 截割安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該系統(tǒng)的核心為PLC 控制中心，采用了多點(diǎn)分布式的控制模式[2]。主要包括井上監(jiān)控中心、井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及采煤機(jī)信號(hào)采集三個(gè)部分。井上監(jiān)控中心是該控制系統(tǒng)的監(jiān)控終端，主要用于將井下的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息顯示到監(jiān)測(cè)屏幕上，便于監(jiān)控人員及時(shí)了解采煤機(jī)搖臂的運(yùn)行狀態(tài)，在必要的時(shí)候可以通過(guò)控制中心發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程調(diào)控。井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是該控制系統(tǒng)的核心，主要用于對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的匯總和處理，若其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并對(duì)異常進(jìn)行分析，確定其來(lái)源，為快速故障排除奠定基礎(chǔ)。信號(hào)采集屬于該系統(tǒng)的“眼睛”，主要是通過(guò)布置在采煤機(jī)搖臂上的各類傳感器對(duì)搖臂的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)骄卤O(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)。

該控制系統(tǒng)通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多功能的快速集成，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，靈活的調(diào)整監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足對(duì)井下采煤機(jī)監(jiān)測(cè)精確性的需求。

2 監(jiān)測(cè)控制邏輯

為了滿足截割監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，系統(tǒng)采用了以STC 單片機(jī)為核心的主控測(cè)試模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂核心部件溫度、振動(dòng)等信息的全面監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制邏輯如圖2 所示。

圖2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)以RS485 通信協(xié)議為基礎(chǔ)，采用兩線制的通信模式[3]，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)同時(shí)通信，在進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，采用了K 型熱電偶，其具有0～4 mV的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出能力，靈敏度高、可靠性好。對(duì)搖臂運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)主要采用速度型振動(dòng)傳感器，其輸出信號(hào)為0～20 mA，然后經(jīng)過(guò)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸。

為了滿足控制系統(tǒng)的自檢功能，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了自檢控制邏輯，以對(duì)溫度傳感器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)為例，當(dāng)傳感器失效時(shí)其監(jiān)測(cè)電流或者電壓信號(hào)會(huì)出現(xiàn)間斷或者大范圍的波動(dòng)，因此系統(tǒng)對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，并確認(rèn)異常原因，便于監(jiān)測(cè)人員及時(shí)進(jìn)行故障排除。

3 溫度傳感器選型

對(duì)采煤機(jī)核心部件運(yùn)行溫度的監(jiān)控是確定采煤機(jī)各核心部件是否運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此在采煤機(jī)的搖臂上設(shè)置了5 組溫度傳感器，通過(guò)單片機(jī)芯片對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性，在溫度傳感器狀態(tài)監(jiān)控中，采用了多路模擬信號(hào)進(jìn)行通道切換的方案[4]，系統(tǒng)將5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后傳輸?shù)娇刂浦行膬?nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳遞，傳感器信號(hào)采集邏輯如圖3 所示。

圖3 傳感器信號(hào)采集邏輯示意圖

由于井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣，因此對(duì)傳感器的工作精度和穩(wěn)定性要求較高，在對(duì)多種傳感器的工作情況進(jìn)行分析后，最終選擇了K 型熱電偶作為監(jiān)測(cè)時(shí)的溫度傳感器，其具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，采用了1.3 mm 的熱電偶絲，輸出形式采用兩線制，輸出信號(hào)范圍在0～4 mV，靈敏度為4.1 mV/100 ℃，完全能夠滿足井下對(duì)采煤機(jī)搖臂運(yùn)行時(shí)溫度變化的精確監(jiān)測(cè)。

4 軟件控制邏輯

為了滿足通信控制，開(kāi)發(fā)了全新的軟件控制邏輯，包括下位機(jī)軟件測(cè)試系統(tǒng)和上位機(jī)觸摸屏管理系統(tǒng)兩個(gè)部分，邏輯控制簡(jiǎn)單、控制層次少，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)截割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理，滿足監(jiān)測(cè)及時(shí)性和可靠性的需求，該軟件控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖4 所示[5]。

圖4 軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 應(yīng)用情況分析

為了對(duì)該搖臂截割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)采煤機(jī)的截割控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，在相同的工況下進(jìn)行截割測(cè)試，結(jié)果表明，采用新系統(tǒng)后，采煤機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中的平均故障次數(shù)由最初的27.4次/月，降低到了目前的1.754 次/月，平均故障率降低了93.6%。截割傳動(dòng)系統(tǒng)的平均使用壽命提升了31.4%，顯著的提升了采煤機(jī)搖臂的工作穩(wěn)定性和使用壽命，該搖臂截割控制系統(tǒng)的界面如圖5 所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面示意圖

6 結(jié)論

1）該監(jiān)控系統(tǒng)的核心為PLC 控制中心，采用了多點(diǎn)分布式的控制模式，能夠滿足關(guān)鍵信息監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障識(shí)別及報(bào)警需求；

2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了以STC 單片機(jī)為核心的主控測(cè)試模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂核心部件溫度、振動(dòng)等信息的全面監(jiān)測(cè)；

3）軟件控制系統(tǒng)包括了下位機(jī)軟件測(cè)試系統(tǒng)和上位機(jī)觸摸屏管理系統(tǒng)兩個(gè)部分，邏輯控制簡(jiǎn)單、控制層次少，控制靈敏性高；

4）新的截割安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒉擅簷C(jī)搖臂在運(yùn)行過(guò)程中的故障率降低93.6%，將截割傳動(dòng)系統(tǒng)使用壽命提升31.4%，對(duì)提升采煤機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。