综采工作面输送设备状态监测系统研究

刘葛成

（山西煤炭进出口集团鹿台山煤业有限公司，山西晋城 048200）

0 引言

综采工作面的设备运行状态关系到煤矿的安全生产，其中被称为输送“三机”的刮板运输机、破碎机和转载机构成了综采工作面输送系统[1]。综采工作面输送设备是煤炭开采的重要设备，必需对其工作状态进行监测，及时发现异常并发出警报。现有综采工作面输送设备状态监测装置存在体积大、安装困难、功能不完善等缺点，为了降低其体积重量，提高监测装置的性能，本文研究了一种新型综采工作面输送设备状态监测系统，对综采工作面的各种设备安全运行具有重要意义[2-8]。

1 输送设备状态监测系统

图1 综采工作面输送设备状态监测系统

结合煤矿生产实际，经过对输送设备全面分析后，设计的综采工作面输送设备状态监测系统如图1所示。整个监测系统由1 个监测总站（一般设在刮板输送机机头位置）、3 个分站以及它们之间的通讯组成。4 台监测主机之间采用内部通讯，机头的主机与控制列车采用外部通讯，总站主机将所有主机采集的状态信息上传至上位机。各监测主机分别监测刮板输送机机头、机尾，破碎机和转载机，主要的监测对象是这些设备的液力耦合器、电机及其减速器。监测主机都配置有彩色显示器，能够显示控制器的控制参数和状态曲线，供工作人员进行现场观察。

2 状态监测系统硬件

状态监测系统硬件部分包括监测主机结构、温度信号转换电路、多路模拟量巡检切换电路、故障指示灯电路、红外接收电路、其他功能电路等。

2.1 监测主机

监测主机的硬件部分包括电源、人机界面、RS485 通讯、主控板、信号采集与隔离、485/CAN通讯单元、阈值预警输出、键盘面板等模块。图2 所示为监测主机结构图。对于每个主机，其单机结构都相类似，由监测主机、本安电源和传感器模块组成。监测主机采用ARM Cortex-3 LPC1768 作为主控制器。控制器和显示器的供电电源分别为12 V和24 V，采用西安某公司设计的隔爆兼本安电源。传感器模块包括10 路温度通道，10路模拟量通道，实现本地电机、减速器状态量采集。

图2 监测主机结构

2.2 温度信号转换电路

信号采集与调理电路是监测系统的重要组成部分，根据对监测需求的分析，以最大19路监测量为基准，设计了24路监测通道。监测通道分为温度通道和20 mA 调理通道。温度传感器采用PT100，采用三线接法，设计了相应的非线性矫正电路和电流电压转换电路。温度信号转换电路如图3 所示。20 mA信号调理电路采用电磁隔离和高效能回路窃电技术五元隔离模块T1 100 L，此外还配备了ADC转换通道的选通。

图3 温度信号转换电路

2.3 多路模拟量巡检切换电路

如果1 台主机与1 个设备对应监测，不仅会增加井下设备，降低系统的可靠性，还会提高整个系统的成本，造成资源浪费。为了避免这种情况发生，本系统在模拟量采集电路中设计了多路巡检电路，即1台主机采用多路巡检技术后，能够同时监测2个设备的工作状态，实现了资源共享，提高了系统的可靠性。图4 所示为模拟量巡检切换原理图，选用的LPC1768 是 8 通道 ADC 芯片，配合多路复用器 MAX4518 后，每个通道都可以扩展为3 个通道，实现了24 路模拟通道的切换。

图4 模拟量巡检切换原理图

2.4 故障指示灯电路

井下运输设备的工作环境特殊，当综采工作面出现特殊情况，监测系统必须具有声光预警功能，引起工作人员注意并采取相应急停措施，防止出现重大事故。故障报警分为声光两部分，声音报警采用固态继电器驱动电路，采用光耦驱动通道；灯光报警有两路，分别给到本地指示灯和远程报警电路，故障报警灯原理图如图5所示，采用三极管Q2驱动REDL红色灯。

图5 故障报警灯原理图

2.5 其他功能电路

其他功能电路包括存储电路、电源与驱动板电路、时钟功能等，为了防止外部电磁信号干扰，还应该设计相应的防雷电路、高频信号去耦电路和旁路电路。

3 状态监测系统软件

根据监控主机的功能需求，设计了相应的程序。软件系统包括系统初始化模块、信号处理模块、人机交互模块、中断响应模块和通信模块。

3.1 总站和分站的主程序

总站和分站的主程序流程略有不同，除了初始化，模拟量采集处理、人机界面控制和阈值预警部分相同，在Modbus通信模块略有不同，总站的主程序内还应包括与上位机通讯程序。主程序开始执行后，首先进行各部分初始化，控制器统一对外围设备进行调度，根据预定的中断优先级协调各子程序运行。在相应中断后，程序还能响应键盘输入的指令，执行相关命令。总站和分站的主程序流程图如图6所示。

图6 总站和分站的主程序流程图

3.2 信号采集和处理子程序

系统采集的状态数据有温度信号、压力信号、油位信号和流量信号。除温度采集电路选用专用PT100 铂电阻进行采集电阻信号，其余三者均为电流信号。通过简单转换将电阻信号转换为4～20 mA电流信号，然后将电流信号转换为小于2 V的电压信号，输入AD芯片。AD值和传感器的测量值M之间的数学关系为：

式中：Mmin和Mmax分别为传感器测范围的下限和上限；N 为ADC芯片处理后数字量。

为了减小信号采集的误差，除了采样电路中设置滤波电路，在信号采集和处理电路中也加入了相应的滤波算法，本文采用平均值滤波，采集的数据抛弃最大值和最小值后取右移指令平均，然后将结果经由式（1）进行计算。传感器的输出电流范围为4～20 mA，当监测到小于4 mA，可判断为传感器接触不良或电源未接通，当监测到大于20 mA，可判断为传感器故障。在程序加入了相应的判断语句进行传感器的故障诊断。信号采集和处理子程序如图7所示。

图7 信号采集和处理子程序流程图

4 结束语

为保证煤矿井下运输设备的安全运行，本文对综采工作面输送设备监测系统进行了研究。通过对系统的整体结构设计和详细的软硬件总体设计，完善了总裁工作面输送设备的安全系统。设计的主从式监测主机采用了先进的通讯技术，减小了当前状态监测装置的体积重量，对煤矿安全生产具有重要意义。