综采工作面刮板输送机监控系统研究

高志勇

(西山煤电西铭矿综采三队，山西 太原 030052)

0 引言

随着我国煤炭综采技术的飞速发展，采煤机、刮板输送机和液压支架等综采设备已经逐渐完成了国产替代进口，我国超大采高智能化综采技术和设备已经走在世界前列。目前国产刮板输送机朝着大功率、智能化的方向发展，研究人员和企业致力于提高其输送能力与安全运行水平。在线监测刮板输送机的运行参数，为其状态评估和故障诊断奠定基础，能够提高综采工作面刮板输送机的安全性和可靠性，提高煤矿生产的自动化水平。为此，本文对刮板输送机监控系统进行了研究。

1 国内外研究与应用现状

20世纪60年代开始，法国、西德和美国先后研发了煤矿监控系统并应用于实际生产中，目前国外许多公司针对自己生产的煤矿综采设备都研发了相配套的监控系统。国外对于链条自动张紧主要有三种技术路线，分别基于电动机功率、机头下链悬垂量、机尾推移油缸压力确定链条张力监控技术。我国的相关研究起步于20世纪80年代以后，吸收国外发展经验，结合自身发展情况开发了许多煤矿井下监控系统，而链条自动张紧技术目前仍停留在现场调试阶段，还未实际应用。

2 系统功能与技术指标

2.1 系统功能

本文研究的刮板输送机监控系统可分为井上和井下两部分：井上部分主要指上位机；井下部分包括机头监控分站两台(分别配置在机头前部和后部)、机尾监控分站两台(分别配置在机尾前部和后部)，如果需要对转载机和破碎机也进行监控，则包括扩展后的破碎机分站和转载机分站。监控分站的功能是对电动机、减速器等被监控设备的运行数据进行采集、显示和存储，并将相关信息通过通信接口向上位机发送，如果数据异常则发出相应的报警信息。上位机接收到分站发回的数据后进行数据处理和故障诊断，实现刮板输送机的远程监控。

2.2 技术指标

本系统适用于煤矿井下工作环境，其技术指标满足本安型电气设备的基本要求。装置的工作环境为温度大于摄氏0℃且小于40℃、相对湿度不大于95%的瓦斯和煤尘等气体环境，不包括破坏绝缘的腐蚀性气体环境。两组本安参数为：输出电压24 VDC，电流0.3 A；输出电压12 VDC，电流1.5 A。模拟量输入结构有12路温度传感器接口、12路电压(或电流)传感器接口，电流输入范围为4 mA～20 mA，电压输入范围1 V～5 V。2路数字量输入接口，6路数字量输出接口,1路RS485接口。

3 监测位置选择

经过对刮板输送机常见故障的分析，发现其故障集中在电动机、减速器和液力耦合器等部件，因此确定了电动机、减速器和液力耦合器为监测点：①电动机经常出现故障的部位有绕组、轴承，如果局部温度过高则容易烧毁绕组线圈和轴承，因此确定监测绕组温度、前轴承温度和后轴承温度，为了控制链条张紧力以及对其故障进行诊断，还应当监测电压和电流；②减速器是传递电机转矩的传动装置，常见的故障包括温度过高引起的轴承故障和润滑油故障，润滑油故障会造成减速器齿轮和轴承磨损，因此确定减速器的检测点为高速轴承温度、低速轴承温度和润滑油温度；③液力耦合器将电机的转矩传送给减速器，其主要故障为打滑，如果出现打滑则容易造成液力耦合器损坏，进而引起刮板输送机故障和影响采煤效率，因此确定监测液力耦合器的输入、输出转速。

4 系统总体设计方案

4.1 硬件设计方案

硬件电路是实现监控和故障诊断功能的基础，设计中要考虑功能、实用性和成本等因素，图1为监控系统硬件总体结构图，分为配套传感器电路、监控装置内部电路和外部通信接口电路三部分。配套传感器电路有转速传感器、温度传感器、油位传感器、流量传感器和压力传感器。监控装置内部电路有以STM32F103控制器为核心的控制电路、信号调理电路、RS485通信电路、CAN通信电路以及键盘、声光、显示屏等人机交互电路。外部通信接口有两路主从站RS485通信接口、上位机CAN通信接口等。

图1 监控系统硬件总体结构图

链条张紧力控制是监控系统的重要功能，图2为其控制电路图。图2中，电磁阀的作用是控制液压油缸的伸缩，进而实现链条的张力控制；U19为反相器，能够增加控制器I/O口的驱动能力；U11为功率放大芯片，实现控制信号对电磁阀的控制。

图2 链条张力控制电路图

4.2 软件设计方案

软件是系统采集、通信和控制等功能协调运行的核心，图3为监控系统软件总体结构图。软件采用模块化思想进行设计，针对信号的采集、控制、显示、通信分别设计了AD采集子程序、链条张紧力控制子程序、显示屏子程序和主站分站通信子程序。所有程序采用C语言编写，选择Keil u Vision5作为程序开发环境。Keil可在程序编写过程中进行在线调试和仿真，其应用十分便捷。

图3 监控系统软件总体结构图

图4为监控系统链条张紧子程序流程图。由于输送机煤量不同时链条的松紧程度不同，链条张紧子程序采用多变量多模式控制，分为手动模式和自动模式，手动模式控制伸缩油缸动作；自动模式对机尾液压压力和行程、运行电流和采煤机位置等信息进行综合判断，然后进行相应控制。

图4 链条张紧子程序流程图

5 应用效果分析

将刮板输送机监控系统应用于煤矿井下测试一段时间后，取得了一系列试验数据。图5为某电机绕组温度实测值与理论值对比图，通过曲线拟合发现二者十分接近，说明PT100热电阻传感器电路真实反映了现场绕组温度。实际运行过程中，监控系统也暴露了一些应用问题，诸如通信数据传输不稳定、安装形式不便利和脉冲信号采集精度不够等。通过分析通信不稳定原因为井下各设备启动后造成电磁环境复杂，可能对数据传输线路干扰，在后续工作中可通过结构优化和改进安装形式来解决。液力耦合器的转速是通过接近型转速传感器获得的，这种传感器输出的是脉冲信号，其脉冲数可能存在偏差，后续工作中可利用信号发生器进行可靠性论证，确定接近型转速传感器的最佳安装位置，以期改善测量脉冲精度。

图5 监控系统实测温度与理论温度对比

6 结束语

目前我国综采工作面设备的监控和故障诊断技术还处于发展阶段，相关产品功能还存在空白。综采工作面刮板输送机监控系统由井上上位机和井下分站构成，能够实时监测电动机、减速器和液力耦合器等关键部件的温度、电压、电流等参数，并在数据异常时发出警报，触发保护动作，避免事故扩大，有效地提高了煤矿生产的安全性，其技术研究和生产应用具有重要意义。