矿用掘进机远程监控系统的工程应用分析

杨晋华

(霍州煤电集团，山西 霍州 031400)

掘进机是煤矿开采中非常重要的机械设备，同时具备煤岩截割、装载、输送、行走、除尘和喷雾等多项功能，是一个非常庞杂的系统[1]。随着煤矿开采朝着纵深方向发展，以及对煤矿开采效率要求的不断提高，对掘进机设备运行的稳定性和可靠性要求也更高，目前掘进机设备正朝着自动化和智能化的方向发展[2]。针对该问题，煤矿技术人员设计研究了掘进机远程监控系统，可以对井下设备的运行状态进行有效监控，从而保障其运行的可靠性和安全性。目前很多矿井中都有应用，不仅改善了矿井工作环境及劳动强度，还为煤矿企业创造了良好的经济效益[3-4]。本文主要结合某煤矿中使用的EBZ200型掘进机，设计研究了远程监控系统，并将其应用到煤矿工程实践中，效果显著，对于促进煤矿智能化发展具有一定的工程实践意义。

1 悬臂式掘进机结构概述

目前煤矿中使用的掘进机类型有很多种，如悬臂式、纵轴式等，悬臂式掘进机以其显著的优势在煤矿中的应用更为广泛[5]。本研究主要以EBZ200型悬臂式掘进机为对象进行分析与研究。掘进机的主要结构见图1。由图可知，整个设备由多个结构件构成，包括截割头、悬臂机构、回转平台、液压装置、装运机构、行走机构、装载铲板、稳定器等，是一个非常庞杂的装置，掘进机的运行稳定性是影响煤矿开采效率的重要因素之一，因此有必要结合实际情况对掘进机的远程监控系统进行研究，以保障设备的稳定可靠性。

图1 EBZ200型掘进机的结构示意

2 远程监控系统的整体方案设计

2.1 整体方案设计

结合煤矿实际情况设计的远程监控系统整体方案框图见图2。监控系统整体上分为地面和井下两大部分。其中井下沿着掘进巷道设置多个分站，各个分站之间通过CAN总线连接，并与地面的上位机进行数据交互。掘进机中设置有基于MCU的数据采集处理模块，主要作用是利用各类传感器采集掘进机的运行状态以及环境参数，并基于无线方式实现与分站之间的数据传输。硐室中同样设置监控装置，以便查看掘进机的状态。地面监控中心主要包括数据服务器、监视器等，可以将井下传输获得的数据信息进行实时呈现并存储到服务器中，以便后期调取查看。

图2 远程监控系统的整体方案框图

2.2 数据采集处理模块

数据采集处理模块结构见图3。远程监控系统中，数据采集及其处理模块是最为关键和核心的部分，用于检测掘进机的运行数据信息以及环境参数等。使用的传感器主要包括倾角传感器、位移传感器、振动传感器、压力传感器、温度传感器和瓦斯传感器等。传感器检测得到的均属于模拟量信号，需要通过模拟量采集信号调理模块转换成数字量信号，才能输入MCU微处理器中进行分析和处理[6]。微处理器还需要与声光报警模块、接口模块、显示器和电源模块等进行连接。车载显示器的作用是方便操作人员掌握设备的运行状态；声光报警模块的作用是确保出现故障问题或安全隐患时能向外发出信息，提示工作人员；电源模块的作用是为整个数据采集处理模块提供电源支持。

图3 数据采集处理模块的结构框图

3 主要硬件设施的选型设计

3.1 MCU微处理器

结合实际情况，本监控系统选用的MCU微处理器型号为STM32L0，该型号微处理器在很多工业领域都有应用，表现出很好的运行稳定性，性价比相对较高。运行过程中的功耗相对较低、性能较好，芯片内部已经集成了大量的资源，在软件程序编写时可以提供很大的便利，正常工作时CPU的工作频率超过72 MHz，完全能够满足本系统的实际使用需求。

STM32L0型微处理器具有丰富的I/O接口，可以通过多种形式与其他硬件设施进行连接，实现数据信息的交互。不仅能满足系统现在的需要，也能满足系统后续的拓展性需求。为了提升微处理器运行的稳定性，所有的数据信号在输入和输出时需要利用光耦电路对其进行隔离，以达到对微处理器进行保护的目的。图4为数据信号输出模块光耦隔离电路原理图。

图4 输出模块光耦隔离电路原理图

3.2 无线传输芯片的选型

本文设计的掘进机远程监控系统与其他监控系统最大的区别在于，井下部分采用无线方式进行数据传输，以提升数据传输过程的便捷性和可靠性。具体而言，使用Zigbee技术进行数据信息传输。目前市场上能实现上述技术的芯片有多种类型，通过对不同类型芯片进行对比分析，最终选择的芯片型号为CC2430。该芯片基于Zigbee协议栈实现无线信号传输，芯片高度集成，内部包含RF收发模块、数字处理器、存储器等多种硬件设施。实践经验表明，该芯片工作时功耗相对较低，内部设置不同的工作模式，可以充分结合实际情况选择最适合的模式，数据信号传输过程非常稳定和可靠。

4 远程监控系统的工程应用分析

将矿用掘进机远程监控系统部署到煤矿工程实践中，并开展实验工作，见图5。监控系统可以对掘进机运行中的各种状态信息参数以及环境参数等进行采集、处理，并将采集得到的数据实时传输到位于地面的监控中心，工作人员可实时查看井下掘进机的工作状态。

图5 实验系统布置及井下巷道基本情况

测试期间，监控系统发现掘进机的截割部振动状态出现了异常情况，系统向外发出声光警报后，工作人员及时对故障问题进行了排查。结果发现，振动异常的根本原因为截割部工作时遇到了硬度相对较高的煤岩，导致回转油箱轴销脱位松动。排除故障后，系统警报解除。通过远程监控系统能有效保障掘进机的运行可靠性以及安全性。系统可以及时发现掘进机运行中存在的小隐患、小故障，避免引发更加严重的安全生产事故，为延长设备使用寿命、提升煤矿开采效率奠定了坚实的基础。通过实践测试发现，系统的各项功能均达到了预期效果，且在测试期间性能非常稳定，未出现明显的故障，为煤矿企业创造了良好的安全效益和经济效益。