刮板输送机监控及故障诊断系统设计_黄正鹏.pdf

刮板输送机监控及故障诊断系统设计黄正鹏（晋能控股煤业集团挖金湾煤业公司，山西大同037003）摘要：刮板输送机作为综采设备的重要组成设备，其在日常运行过程中的安全稳定直接关系到煤炭的生产效率及煤矿的经济效益。刮板输送机在日常工作中经常会出现故障，其中电动机、液力偶合器及减速器等发生的故障占据大多数，刮板链故障占停机时间的 1/2 以上。现阶段刮板输送机的故障诊断和在线监测属于两个系统，增加了工作人员的现场维护工作量。基于此，设计了集监控与故障诊断于一体的自动化系统，该系统能有效减少刮板输送机的故障率，减轻工作人员的工作量，提高煤炭开采效率。关键词：刮板输送机；故障诊断；在线监控中图分类号：TD634.2文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0184-020引言煤炭在我国的能源结构中占据着重要的地位。近年来，随着能源需求的不断扩大，煤炭开采的效率和效益也不断增加，综采技术作为开采煤炭的主要手段，其正朝着大型化、智能化以及自动化的方向发展。采煤机、刮板输送机以及液压支架是综采工作面的主要设备，采煤机承担着开采割煤的任务，刮板输送机作为装卸、运输的设备，液压支架作为支撑保护的装置。刮板输送机作为采煤机的轨道以及液压支架移架时的支撑，在综采设备中起到了关键的作用。刮板输送机其安全稳定运行直接关系到了煤炭开采的效率和安全，影响着煤矿企业的经济效益1-4。为了防止刮板输送机出现故障或出现故障能够在第一时间对故障进行了解，本文提出了刮板输送机监控系统以及故障诊断系统，并将其功能进行集成，实现在线监测与故障诊断融合，提高刮板输送机运行的安全性、稳定性，进一步提升综采设备的自动化水平。1刮板输送机监控及故障诊断系统总体设计方案刮板输送机监控及故障诊断系统按照其结构分为井下综采工作面部分和井上地面系统，井下综采工作面部分主要有刮板输送机各个结构部分的信号采集及监控分站，井上地面系统是由刮板输送机的远程监控及故障诊断系统组成的。刮板输送机的各个监控分站可以通过改变自身的设置成为总站，在实际运行过程中将其中一个设置为总站，刮板输送机的各个组成部分均设置有信号采集装置（例如对电动机、减速器等设备进行转速、温度等的采集），将数据传递到系统总站的控制器中，通过对比后，对刮板输送机的状态进行实时显示并根据实际情况作出相应的动作。总站和各个分站之间能够实现数据通信，读取或存储分站的数据，并将数据进行打包发送，实现刮板输送机的数据共享。对于刮板输送机的不同监控点，其监控的组织结构以及工作机理不同。根据刮板输送机的结构设置有电动机监测点、液力偶合器监测点、减速器监测点、刮板链监测点等，将其作为对刮板输送机状态监测的参数。2监控装置硬件设计刮板输送机监控及故障诊断系统主要由信号采集部分、监控装置电路部分以及外部通信接口部分等组成。信号采集部分主要是由刮板输送机转速、压力、温度、油位等传感器组成的。监控装置电路部分由最小系统、信号调理、通信和控制电路组成。外部通信结构主要是由监控部分与井下集控中心的信号接口传输、通信接口和主站的通信接口等组成。刮板输送机监控及故障诊断系统的装置总体结构如图 1 所示。刮板输送机监控及故障诊断系统综合其 I/O 接口情况、存储空间情况以及通信接口，选择 ARM Cor-tex-M3 STM32103VB 作为监控及故障诊断系统的控制芯片。监控装置显示器是为了让工作人员直观地看到刮板输送机的实时监控数据情况以及运行状态，为了保证实现刮板输送机的监测数据、预警、记录查询以及信号采集装置的连接状态等情况，选择显示器为万维 KC01-70T 型号的本安型人机界面显示器。信号采集模块的温度传感器配套使用的是 PT100 型号的本安型传感器，利用 XTR105 芯片将 PT100 温度传感器电阻信号转换为 420 mA 的电流信号再转换成为收稿日期：2022-09-22作者简介：黄正鹏（1995），男，毕业于山西大同大学，本科，助理工程师，研究方向为采煤。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.074图 1刮板输送机监控及故障诊断系统的装置总体结构转速传感器温度传感器油位传感器流量传感器压力传感器声光报警与井下集控人机界面通信接口控制电路最小系统主从站通信脉冲信号电压信号RS-485通信电路接口温度信号信号传输自动化系统设计2023 年第 6 期电压信号后进入控制器中分析使用。通信电路方面设计的是 RS-232 通信电路作为分站的内部通信，利用RS-485 电路作为总站和分站之间的通信，采用 CAN总线技术实现井下与地面之间的上位机通信。3刮板输送机监控及故障诊断系统的软件设计刮板输送机监控及故障诊断系统的软件部分设计是整个系统的核心，控制着整个系统的运行，是实现各个功能的重要环节。刮板输送机监控及故障诊断系统软件部分的程序设计分为 CPU 程序和显示器程序。该系统设计是基于 STM32103 单片机作为控制器的应用程序。控制器程序采用 C 语言进行模块化的编程，显示器程序采用图形和汇编语言进行设计。刮板输送机监控及故障诊断系统的各个装置作为不同的站点时需要实现的功能不同，作为分站时，要实现对刮板输送机各个结构部分的信号采集、预警报警以及与总站之间进行通信的功能。当其作为主站时，除了需要实现以上功能外，还需要实现对子程序的采集、信号处理以及控制显示等功能。刮板输送机监控及故障诊断系统的程序总体结构，如图 2 所示。4刮板输送机监控及故障诊断系统测试为了验证刮板输送机监控及故障诊断系统功能的安全性和可靠性，必须进行测试，本次测试主要是进行声光报警模块的测试以及系统的通信功能的测试。声光报警模块的测试，首先是在显示系统内利用键盘设置报警值，再利用过程校验仪对输出信号进行模拟，使得其输出信号大于预先设定的信号，通过观察报警灯与蜂鸣器的状态来测试声光报警器是否能够正常运转，如图 3 所示。在系统设置好的输出信号与硬件输入对接后，蜂鸣器开始发出响声，并且 LED灯点亮，说明声光报警模块能够正常稳定运转。系统的通信测试，通过测试总站和分站之间的通信信号进行的，测试时首先将一台设置为总站，其他的设置为分站。将总站和分站之间连接起来，总站发出指令观察分站指令接收情况，并将数据返回给总站。总站和分站都可以将数据发送到屏幕，这样每个站都可以从屏幕上直接看到数据的情况，分别对总站和分站进行测试，通过串口测试的数据对比，以及实物的实际情况进行判断。其实物情况如图 4 所示，说明刮板输送机监控及故障诊断系统各部分通信正常。5结语刮板输送机作为综采设备的重要组成部分，对其进行状态监控、自动控制以及故障诊断对刮板输送机的正常稳定运行有着至关重要的作用。本文根据刮板输送机的组成结构以及日常工作方式设计了一套集监控及故障诊断于一体的系统，其能够实时对刮板输送机的运行状态进行监控，通过传感器对刮板输送机的刮板链、电动机、液力偶合器、减速器等进行实时监控，当其出现超过系统的预设值时就会发生报警，提醒工作人员及时对异常处进行处理。当其出现故障时，系统会在第一时间对故障情况进行判断并确定其具体部位，提高工作人员的工作效率。刮板输送机监控及故障诊断系统能够提高煤矿井下综采设备的开机率和安全性，提高综采设备的自动化程度，增加煤炭的开采效率。参考文献1乔红兵，焦峰，李玉鑫，等.刮板输送机软启动监控系统设计J.煤炭技术，2021，40（9）：156-158.2刘益康.刮板输送机断链监控系统设计与应用J.机械研究与应用，2021，34（4）：145-147.3刘伟立.刮板输送机自动化监控系统J.内燃机与配件，2019（10）：212-213.4智国华.矿用刮板输送机链条张紧力自动监控技术及故障维护J.煤矿现代化，2019（5）：188-190.（编辑：李俊慧）图 2刮板输送机监控及故障诊断系统的程序总体结构图 3声光报警连接图 4总、分站实物连接主站外部通信总站和上位机总站和分站通信子程序通信子程序状态监控总站主程序分站外部通信分站和总站通信子程序状态监控分站主程序破碎机链条张紧力显示屏故障报警子控制子程序控制子程序子程序程序信号处理子程序滤波子程序AD 采集子程序脉冲采集子程序信号采集处理（下转第 188 页）黄正鹏：刮板输送机监控及故障诊断系统设计185机械管理开发第 38 卷3.2嵌入式 Linux 系统移植嵌入式 Linux 系统具有较强的多任务实施处理能力和数据通信管理能力，将其引入到电磁调控采煤机控制系统设计中将可以有效提高控制效率和控制系统可移植性，更有利于后续系统的运行及维护。因此，在设计中将会采用 Linux 系统作为控制系统的操作系统。同时，根据系统功能需求，合理配置 Boot-Loader 程序和创建根文件系统，并由此为基础开发软件控制程序5。3.3控制系统应用程序控制系统应用程序主要包括后台应用程序、通信管理机程序、总线型遥控器程序以及通信协议选择程序 4 种程序。其中后台应用程序主要用于控制双闭环电机转速、通信以及数据采集等功能；通信管理机程序主要用于接收上位机所发出的控制指令，并根据此控制程序对下位机进行控制及数据采集；总线型遥控器程序则用户实现总线型遥控器主机和副机的初始化、控制及数据采集等功能；通信协议选择程序则是用于满足采煤机现场设备控制以及传感器控制的通信协议程序，此程序主要采用 RTU 通信格式，确保数据传输的时效性。4应用效果分析为验证所提出基于嵌入式处理器的电磁调控采煤机的控制系统的应用效果，在设计完成后对控制系统进行具体实现，并将其应用于某煤矿现场。结合应用实际来看，相对于原有的电磁调控采煤机控制系统，基于嵌入式处理器的电磁调控采煤机的控制系统表现出更强的可靠性、稳定性以及智能化水平，更符合当前自动化、智能化煤矿开展需求。5结论本文提出一种基于嵌入式处理器的电磁调控采煤机控制系统设计方案，此设计方案主要包括硬件电路和软件程序两部分内容，其中硬件电路采用模块化设计，主要包括嵌入式处理模块、总线型遥控器模块、数据输出输出电路模块、电源模块电路、通信模块电路以及数据存储电路；软件系统则包括嵌入式 Linux系统移植、最小拍无波纹控制器、控制系统应用程序。结合实际情况来看，此设计系统基本可以满足电磁调控采煤机系统控制需求，可在后续电磁调控采煤机控制系统设计中进行参考应用。参考文献1陈健升，王睿，王庆福.基于滤波预测的电牵引采煤机自动控制系统研究J.煤炭技术，2021，40（6）：23.2卜桂玲.采煤机调高机构液压控制系统建模与仿真J.机床与液压，2021，49（13）：38.3侯鑫.基于 FPGA 技术的采煤机自供电采集管理探讨J.煤矿现代化，2020（6）：29-30.4张鹏飞.采煤机牵引部驱动协调控制系统研究J.凿岩机械气动工具，2020（3）：114-115.5康贵.关于 MG930-WD 采煤机智能调控系统的研究J.机械管理开发，2020，35（12）：78-80.（编辑：王慧芳）Design of Control System for Electromagnetic Controlled Coal Mining Machine Based onEmbedded ProcessorZhang Hongfei（Shanxi Jiaomei Huozhou Coal Electric Mugua Coal Mine Excavation Team 2,Fangshan Shanxi 033000）Abstract:Based on the control system structure of electromagnetic controlled coal mining machines,the overall hardware functions of thecontrol system are analyzed and elaborated.