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掘进设备远程监测系统设计与应用 甄智强 （大同煤矿集团有限责任公司 晋华宫矿， 山西大同037000） 摘要掘进工作是煤矿综合机械化采煤工作的基础，决定后续采煤工作的顺利与否。但在实际生产过程中，掘进设备的故障状况时有发生，给煤 矿生产造成了较大损失。针对煤矿生产过程中掘进设备缺少有效监测的现状，结合生产实际设计了一套以MCU为核心的掘进设备远程监测系统。 系统可有效完成对掘进设备和运行环境的状态监测以及故障预警。实践应用表明，该系统具有可靠性高、可视化、功能强大的特点，且开发成本 相对较低，可实时保障设备的安全经济运行。 关键词煤矿；掘进设备；监测系统；MCU 中图分类号TD42文献标志码A文章编号1009－9492 2020 06－0151－03 Design and Application of Remote Monitoring System for Tunneling Equipment ZHEN Zhiqiang （Jinhuagong Mine, Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037000, China） AbstractTunneling is the basis of comprehensive mechanized coal mining in coal mine. But in the actual production process, the breakdown of the tunneling equipment occurs from time to time, which causes great loss to the coal mine production. Aiming at the lack of effective monitoring of tunneling equipment in the production process of coal mine, a remote monitoring system of tunneling equipment based on MCU was designed, which could effectively complete the status monitoring and fault warning of tunneling equipment and operating environment. The practical application shows that the system has the characteristics of high reliability, visualization and powerful function, and the development cost is relatively low, which can guarantee the safe and economical operation of the equipment in real time. Key wordscoal mine; excavating equipment; monitoring system; MCU DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 06. 061 第49卷第06期Vol.49No.06 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 甄智强. 掘进设备远程监测系统设计与应用［J］. 机电工程技术，2020，49（06） 151-153. 收稿日期2019－12－04 0 引言 掘进工作作为综合机械化采煤的前序工作，关系着煤矿 生产的质量和效率[1-2]。在实际生产过程中，掘进设备所在工 作面环境比较恶劣，温度高、煤尘浓度大，电磁干扰也较 多，掘进设备比较容易发生故障。掘进机常见的故障有截 割电机由于负荷过大电流超载引起温度过高造成的电机停转 或者电机烧坏；长期工作磨损或者操作不当引起的减速机的 机械结构例如花键、轴承、齿轮发生断裂；液压油泵或者电 机损坏造成液压油压力异常引起运输机部动作异常；供水异 常或者喷雾泵损坏造成喷雾系统异常[3-6]。掘进设备故障将会 极大拖延掘进工作进度，且掘进工作面内进行检修相对不 便，将会极大损害煤矿生产效益，甚至可能影响生产人员安 全。为了保证掘进工作的顺利进行，需要对掘进设备的运行 状态进行监测，在发生故障时可以提前预警，较快做出检修 反应，保障设备安全稳定运行，同时保护工人安全，提高煤矿 生产的自动化水平，减少工人工作量，为企业增加经济效益。 1 总体方案 掘进设备作为煤矿生产的大型设备之一，涉及电气、液 压、机械等部分，目前煤矿生产中较为常用的是悬臂式掘进 机 [7-8]。掘进装置的监测主要针对掘进设备的重要部件如电 机、泵、电气设备等。 监测系统针对各结构单元进行监测，主要结构包括现场 以MCU（微处理器）为核心的智能采集监测层和井上远程监 测中心层。智能监测层包括传感器部分、信号采集调理电 路、MCU、声光报警器、LCD显示模块和网络接口电路等。 能够完成对各设备结构状态数据的实时采集、变换、处理、 根据结果执行声光报警，并将处理结果传输给远程监测中心 工控机进行数据显示、储存、分析。远程监测中心则由一台 工业控制计算机和显示器组成，可对经由通信网络而来的数 据及处理结果进行显示、储存、进一步分析统计。通信网络 则依据工业现场总线技术进行构建，保障系统可靠性和稳定 性。系统的整体结构如图1所示。 图1监测系统的整体结构 151 2 监测系统设计 综合考虑掘进机工作原理以及实际生产情况对掘进设备 的关键部件进行了监测模块层设计。分别选用电流传感器、 倾角传感器、压力传感器、振动传感器和瓦斯传感器等对布 置在监测点反映设备运行状态参数进行实时地检测，由数据 采集调理电路进行采集、放大、滤波、转换并且传输给数据 处理单元MCU，由MCU内嵌程序对结构的状态参数进行判 断，决定执行声光报警与否。监测模块不仅将异常数据判断 结果反馈给显示屏决进行可视化呈现，还将具体数据实时传 输给远程监测中心工控机。操作人员可根据监测结论对掘进 运行检修工作进行调整，保障设备安全稳定运转。 2.1 硬件分析选型 监测系统主要硬件设备包括各种传感器、微处理器 （MCU） 、远程工控机、通信线缆、电路板、电源等。MCU选 择ST（意法）公司设计生产的微处理器STM32 L0系列超低功 耗MCU，拥有64 kB闪存、8 kB RAM，采用64引脚封装。瓦 斯浓度传感器选择山东中煤工矿集团生产制造的GJC4型煤矿 用低浓度甲烷传感器，能够实现将井下工作环境中的CH4浓度 转变为电流信号输送给数据采集处理设备，具有结构简单、 实用性能可靠的特点。振动传感器则选择兰德科技生产的 BZ11压电式加速度振动传感器，利用压电晶体的正压电效应 转换原理制成。该传感器稳定性好，抗干扰能力强，适用于 煤矿生产环境。 2.2 状态监测模块设计 系统监测包括对工作环境的瓦斯（甲烷）浓度监测、温 度监测、湿度监测和掘进设备各部件结构的监测。液压系统 监测分别利用温度传感器、压力传感器对油缸的液压油温、 油压进行检测，实现液压油温、油压判断液压系统状态评 估，当油温过高或压力异常时发出警告；此外针对液压电机 进行电流电压监测。 截割系统监测包括对截割电机的电压、电流情况的监 测、绕组温度的监测，以及利用加速度传感器对传动轴、截 割减速器机械振动的检测监控。喷雾系统监测针对外部供水 流量、水泵液压马达压力进行监测。此外还对行走部、装载 部、运输部的液压马达的压力监测，对设备本体部进行振动 监测以及机身倾角监测。状态监测模块的结构如图2所示。 2.3 通信网络结构设计 利用现场总线技术并结合设备情况对远程监测系统通讯 结构进行了设计。MCU通过8个数据管脚实现与1602显示屏 的数据传递，通过RS、RW、EN3个管脚实现对LCD屏的控 制。MCU与远程监测中心工控机利用RS-485串口通信连接， 利用USB接口和USB/RS-485转换器实现远距离抗干扰传输。 传感器采集状态信息通过外设的的数据采集调理电路实现与 MCU数据对接，选用的MCU自带12路ADC，可实现模拟量 与数字量的转换。 STM32L0与LCD1602之间连接如图3所示。 3 软件程序设计 为了实现对系统采集数据的转化、计算处理以及传输， 需对监测系统的核心处理器进行软件编程。针对系统选用的 STM32 MCU，选择广泛应用于ARM内核MCU开发的Keil微控 制器软件开发平台。Keil平台提供了功能较为强大的开发环 境（uvision） ，是一个集成了C语言编译器、宏汇编语言以及 连接器、库管理、仿真调试器的整体开发方案。且Keil for ARM的界面和VC的界面十分相似，界面比较友好，应用广 泛、方便工程人员学习使用，可同时完成程序调试、软件仿 真方面的工作。系统数据处理模块一般流程如图4所示。 4 实际应用 对监测系统进行实际应用，实践表明，系统可实现对结 构的状态参数的自动采集、处理、故障声光报警等功能。可 远程对环境参数、运行参数温湿度、瓦斯浓度、振动值、压 力、倾角进行显示监测。在使用过程中发生截割部振动值异 常报警，操作人员停机检查，发现振动异常由截割头部遇到 硬岩石作业引起回转油箱轴销脱位松动引发，经过检修及时 排除了隐患，避免了更大损失；在设备液压系统电机温度过 高时系统也提前发了出声光报警；表明系统可以及时给予运 行人员准确提示，保护设备及人员安全。 5 结束语 本文结合相关资料以及生产实际情况研究并设计了一套 针对煤矿掘进设备的远程监测系统，系统主要实现对掘进机 运行环境及主要设备的远程动态监测，同时在发生故障时能 够实现预警。经过现场运行测试表明，系统可较好地完成预 期目的，可对监测结果进行显示、计算、储存，自动对运行 情况正常与否进行判断和报警，且具有实时性好、可视化、 图2状态监测模块结构 图3LCD1602与STM32连接图图4系统数据处理模块流程 2020年06月机 电 工 程 技 术第49卷第06期 152 自动化程度高等特点，能够有效保障掘进设备安全正常， 提高掘进工作稳定可靠性，保护工人安全，为企业增加经 济效益。 参考文献 [1] 伍小杰,孙新贺,刘贺.悬臂式掘进机远程监控系统设计[J].煤 炭科学技术,2011,39387-90. 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