刮板输送机监控系统的设计及现场应用研究

张二平

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 吕梁 033102）

引言

刮板输送机作为煤矿开采中的关键设备，已被广泛应用到了井下煤矿开采中。由于井下环境的恶劣性，导致刮板输送机时常发生各类安全故障，其中，设备中的减速器、液力耦合器、发动机等部件的故障率占整个设备的75%左右，由于井下设备的开采作业相对闭环，设备一旦出现故障，将出现设备停机维修情况，严重影响着其他设备的正常运行，也给井下作业安全构成了重要威胁[1]。当前，虽在设备中添加了控制系统，但监控范围及参数值相对较小，准确性较低，无法对设备的运行状态及诸多故障类型进行实时数据采集和监控，整体智能化控制程度较低[2]。为此，将当前更加先进的控制技术应用到设备的实际作业中，提升刮板输送机中监控系统的综合性能，已成为企业关注的重要任务。

1 现有监控系统存在问题分析

1）当前监控系统仅能实现对刮板输送机部分参数的就地监控，无法将采集数据传输至远端的控制中心，也未与整个煤矿监控系统进行集成化一体统一设计及远程管理[3]；

2）设备的监控系统大多能实现对采集数据的显示，但存在采集及分析处理数据无法实时保存、显示界面内容无法调整的问题，同时，人员无法通过显示屏对设备的安全控制功能进行操作控制[4]；

3）设备的运行参数无法通过快速方式，在显示屏中进行实时显示，并无法通过显示界面对设备的运行状态进行远程调节和控制；

4）设备控制系统所使用的检测仪器的使用寿命较短，所采集的数据大多都是通过传统的基频方式进行传输，存在信号传输速度较慢、信号失真等问题，井下抗爆性也相对较差[5]；

5）由于井下环境相对复杂，所设计控制系统在数据传输过程中存在较大信号干扰，且所采集数据的准确性和实时性也相对较差，极容易出现信息误报问题。

为此，有必要以现有的刮板输送机控制系统为基础，开展监控系统的升级设计研究。

2 监控系统总体设计

结合当前刮板输送机中监控系统现状，开展了刮板输送机监控系统的升级设计研究。所设计的监控系统包括了配套传感器、脉冲信号调节电路、通讯电路、保护电路、驱动电路、电源电路、STM32F103处理器、人机界面、RS485通讯接口、声光报警等部分。其中，传感器包括了转速、温度、流量、液位、压力等传感器，能实现对刮板输送机作业时关键参数的实时数据采集，通过RS485接口，经过系统内部的相关电路信号转换后，传输至STM32F103处理器中进行信号的分析判断和处理，分析判断后的数据则通过人机显示界面，将其再进行参数的实时显示，若设备某一部分发生异常情况时，则系统将会通过声光报警模块及时发出提示，并在人机显示界面中显示[6]。另外，所有监控数据可通过RS485接口和CAN总线通讯接口，完成与井下其他设备之间的信号传输，由此，实现了整个系统的远程监控和集成化设计。刮板输送机监控系统的总体方案框架如下页图1所示。

图1 监控系统总体方案框架图

3 监控系统主要分系统设计

3.1 温度控制电路设计

刮板输送机在作业时，若散热效果不好，加上井下通风效果不佳，极容易出现设备工作温度升高现象。为此，设计了设备工作温度的控制电路，其电路图如下页图2所示。在该电路中，电压平台设DC24V，配备了多种电阻和电容元器件，能将检测的电阻信号，先转换为4~20 mA的电流信号，最后转换为CPU能识别的电压信号，当温度超过设置的阀值时，该电路将执行切断电机运行的操作。同时，匹配了PT100的防爆型温度传感器，如图3所示，以实现对设备上温度数据的实时采集。

图2 温度控制电路图

图3 PT100的防爆型温度传感器

3.2 脉冲信号调节电路设计

为实现对刮板输送机运行状态的实时评估，实现对耦合器输出转速的监控功能，故需对整个电路中的信号进行脉冲调节。因此，所设计的脉冲信号调节电路（见图4）主要包括了钳位电路、隔离电路、隔离电路等组成，具体包括光电隔离耦合器、二极管、74HC14芯片、电阻等元器件，电路的电压平台采用了DC5V，工作原理为：通过选用的转速传感器将采集的数据以脉冲信号方式进行发出，输入值Din端，经过74HC14芯片和触发器，传输至钳位电路中，最终由CPU进行信号捕捉和采集调节，以此实现对传感器脉冲信号的调节控制。

图4 脉冲信号调节电路

3.3 电压调节电路设计

整个监控系统中所采用的电压包括了DC24V、DC12V和DC5V等，需经过电压的转换后，方可为监控系统直接使用，保证信号采集端电压与采集端接地电压一致。为此，设计了电压调节电路。在该电路中，包括了稳压电路和嵌位电路，可实现对不同电压的相互转换。例如：由于单片机的电压值为DC 3.3 V，故可首先将输出信号控制在0~5 V范围内，再经过比例电路处理后，按照一定的比值关系，将电压值转换为0~3.3 V范围内，以供单片机和CPU的正常使用。同时，该电路仅需3个阶段的电压调节，即可实现24路模拟量信号的调节，大大简化了整个调节电路的复杂性。电压调节电路如图5所示。

图5 电压调节电路图

4 监控系统应用效果分析

在完成整套监控系统的总体设计后，为进一步掌握该系统的可靠性及综合性能，将该系统在SGZ1710型刮板输送机中进行了实际应用测试，测试过程中主要是对该监控系统的信号采集、数据处理、设备运行状态显示及远程操作控制等方面进行了实际应用测试，测试周期为6个月。经过测试可知，该监控系统运行更加稳定可靠，所采集的设备状态包括了工作电压、温度、行进速度、工作时间、最大功率、启停操作控制等，实现了将设备中各关键元器件与监控系统之间的RS485通讯及信号传输，刮板输送机的各项作业状态则通过监控显示界面进行了实时显示，同时，人员可根据设备的运行需求，对其进行远程操作控制，当设备出现各类故障问题时，也能通过该监控系统进行故障类型及故障位置的实时显示和报警提示，整个过程无需人员进行操作干预，实现了整个过程的智能化远程控制需求。据统计，测试期间，设备的故障率降低了将近40%，煤矿开采效率提高了将近30%，达到了预期效果。