基于多传感器的电牵引采煤机综合监测系统.pdf

嘭 ‘ 羽2 0 0 7年第2 6 卷第9 期 基于多传感器 的电牵引采煤机 综合监测系统 摘 要 针 对 国 产 电牵 引采 煤 机 工 况 监 测 水 平 的现 状 ， 设计开发 了更为先进 的基于多传感器 的电牵引采煤机综合监 测 系统。该 系统采 用分 布 式 、模 块 化 结 构 ，监 测 功 能 主要 依 靠嵌入式计算机 P C 1 0 4和单片机实现 ，控制功能依 靠 P L C来 完成；系统监测范围大，监测参数比较全面；并首次将数字 式温度传感器 1 8 B 2 0应用到煤矿井下设备监测中。该 系统的 工业应 用不 仅 能 为采 煤 机 的正 常 运 行提 供 丰 富 的指 导信 息 ， 而且能为采煤机电机、机械传动箱等设备和部件的故障诊断 积 累现场数 据。 张建文／ 中国矿业大学信息与 电气工程学院电气 工程系 张于江／ 国家防灾技术高等专科学校 自动化技 术系 1 引言 电牵引采煤机是一种多电机驱动的复 杂移 动机 械 ，工作在 煤矿井 下有 爆炸危 险 性的环境 中，是煤矿生产最为重要和关键 的设备之一。因此 ，采煤机工况监测和故 缮 ／ K e y w o r d s 障诊断技术的应用 ，对于保证煤矿的生产 宫乒5 ／ 栗 税 安 全和 高产高 效均具 有 十分重要 的意义 。 带 监 煤矿井 下 环境 极 端 恶 劣 ，空 间狭 小 ， 多 感器 阴暗潮湿 ，工作面充满煤尘 ，采煤机运行 1 8 B 2 0 时随时可能遭受机械碰撞等多种冲击。因 故人式 祝 此 ，其工况监 测装置 和系统必须满 足防 爆 、防水 、防潮 、防碰砸、防腐蚀等特殊 要求 。这一方面造成传感器和检测装置选 型和安装困难 ，信号采集难度很大；另一 方面，因环境因素产生的多种干扰信号 ， 原煤炭部科技攻关项 目 9 7 ． 0 0 2 ． 0 2 ． O 1 资助 ，中国矿 业大学科研基 金 部分资助 o c 4 4 9 9 。 一 J 1 4一 可能 “ 掩盖”微弱的故障信息 ，造成在采 集到的信号中提取和准确识别故障信息非 常困难。因而，许多适用于地面和静止设 备的工况监测和故障诊断方法无法移用到 采 煤 机上 。 煤 矿井下 的特殊 环境 和采煤 机极 端恶 劣 的工 作条 件 ，严重 制 约着采 煤机工 况监 测和故障诊断技术的应用。 目前，尽管已 经 采用 了许 多方法 以期实 现采 煤机 的状 态 监测 和 故 障诊 断_ 1 I 4 J ，但 从 总体 上 看， 国产 电牵引采 煤机 的工况 监测 范 围很 不全 面 ，监测参数 比较少 ，故障诊断功能非常 有 限 。 要真正实 现采 煤 自动化 和无人工作 面 ，采煤机的工况监测和故障诊断是一个 重 要 的技 术 基 础 _ 5 。] 。针 对 采 煤 机工 况 监测水平的落后现状 ，本文结合原煤炭部 科 技攻关 项 目 电牵 引采煤 机工 况监测及 故障诊断系统的研究 ，设计 开发 了基于 多传感器的电牵引采煤机综合监测瞟统。 2 采煤机基本结构与工作方式 图 l 所 示 为 电牵 引采 煤 机 典 型 结构 。 采煤机一般采用多电机驱动横向布置，机 载式交流变频无级调速，强力链轨无链牵 引 ，双滚筒 双摇臂 框架式箱体 结构 ； 主机架为整体式焊接件 ，摇臂以悬挂铰接 方式 与 主机架相 连 。 当电能通过巷道电缆引入采煤机后 ， 在高压控制箱进行电力的分配和控制。其 大部分输送到位于左右摇臂上的两个截割 维普资讯 基于多传感器的电牵引采煤机综合监测系统 胡 2 0 0 7年第 2 6卷第 9期 主机架 蠢 l l孥 l I 蠢 、 、一／ 图 1 采煤 机结 构不 意 图 电机 ，其余部分送到牵引控制箱和泵电机。摇臂上 的多级齿轮传动系统将截割 电机产生的动力传递给 摇臂顶端的截割滚筒 ，驱动截割滚筒旋转 ；引入牵 引控制箱 的高压 电，经变压 器降压后输送 给变频 器 ，通过变频器供给牵引电机 ，实现变频调速。牵 引电机再 驱动 由内外 牵 引部组 成 的多级 减速 传动 机 构 ，将动力传递给牵引链轮 ，驱动链轮旋转 ，在输 送机齿轨上爬行 ，带动采煤机行走，整机在行走中 完成采煤功能 。为适应不 同煤层采高的要求 ，摇臂 必须能按要求升降 ，以使截割滚筒始终保持在适 左 摇 臂 摆 角 传 感 器 割 电 机 绕 组 温 度 开 关 割 电 机 绕 组 热 敏 电 阻 左摇臂 监测单元 左 摇 臂 传 动 箱 油 温 传 感 器 左 查 引 传 动 箱 油 温 传 感 器 右 摇 臂 传 动 箱 油 温 传 感 器 右 查 引 传 动 箱 油 温 传 感 器 液 压 系 统 油 温 传 感 器 冷 却 水 压 力 传 感 器 机身外 围 监测单元 冷 却 水 流 量 传 感 器 调 高 油 缸 压 力 开 关 采 煤 机 左 定 位 传 感 器 点 当的工作位置。摇臂的升降动作 由液压调高系统控 制。液压调高系统 由泵站和调高油缸两部分组成。 泵站的主要作用是 通过泵电机带动泵将电能转化 为液压能 ，为调高系统提供液压动力 ，同时为牵引 行走部的制动器提供控制油路 。采煤机的整机动作 由位于高压控制箱 内的电气控制系统指挥协调。 采煤机还有一个喷雾冷却 水 系统，其作用 主要有两个 一是采煤时喷雾降尘，改善工作面环 境；二是对相关部件和系统进行冷却。为保证该系 统正常工作，对冷却水的流量和压力均有专门要求。 3采煤机综合监测 系统结构 采煤机综合监测系统采 用分布式 、模 块化结 构，如图 2所示 。每个监测单元均由独立的单片机 及其外 围接 口电路等组成 ，各单元与监测中心的数 据传输采用数字式传输方式 。 采 煤 机 右 定 位 传 感 器 点 一 内 查 引 部 振 动 传 感 器 一 内 查 引 部 振 动 传 感 器 二 内 查 引 部 振 动 传 感 器 轴承振动 监测单元 本安 2 4 V l ‘ 1 2 V 厂一 2 4 V I ⋯ I ， 2 2 O V l I 内 查 引 部 振 动 传 感 器 截 割 电 机 绕 组 热 敏 电 截 割 电 机 绕 组 温 度 开 右摇臂 监测单元 高 压 控 制 内 部 高压箱温湿度传感器 整机输入 电压互感器 牵引箱输入电流互感器 泵 电机 电流互感器 右截割电机 电流互感 左截割 电机 电流互感器 电流 电压 变送器 箱监测单元 地面通信 接 口 L 采煤机控制 i J 中心 P L C I L ． ． J A D AM 通信 模块 工况监测中心 P C ／ 1 0 4 液晶显示单元 图 2 采煤机综合监测系统框图 采煤机 控制 中心采 用可 编程序 控 制器 P L C， 专 门负责采煤机的整机操作与控制 包括端头站操 右 摇 臂 摆 角 传 感 器 厂 ‘ 一_ ] 牵l 引 l 控 l I 作 ，并保持与工况监测 中心的实时通信 ；工况监 测中心采用嵌入式计算机 P C 1 0 4 ，负责整机监测信 一 l l 5一 右牵 引部轴温度传感器 一 共 三点一 左牵引部轴 承温度传感器 一 共 三点一 维普资讯 嘭 量调2 0 0 7 年第2 6 卷第9 期 基于多传感器的电牵引采 煤机 综合监测系统 号的处理 、显 示、存储 等 ，操 作 系统 采 用 Wi n ． d o w s 3 2 ，外挂电子硬盘，并设置专用的通信接 口。 监测中心与控制中心采用接点通信方式 ，控制 中心 的操作信号被监测中心接收 ，在显示屏上进行动态 实时显示 ；一旦监测中心检测、诊断出有故障或事 故发生时，在进行屏幕显示的同时 ，向控制中心发 出相 关 信 号 ，由控 制 中心 进 行 相 应 的 控 制 操 作 。 显示单 元 由一 块 6英 寸 、4 8 0 x 6 4 0线 的 彩 色 液晶显示屏及其相关电路组成 ，用于显示采煤机的 所有工况监测参数、操作及运行状态、报警提示和 故障诊 断结果 、操作指导等 ；并采用 Wi n d o w s下 的图形和动态 中文显示。采煤机综合监测系统的一 个显示界 面如 图 3所 示 。界 面操 作 通 过 防爆 按 钮 ， 采用 光标移动 方式来 完成 。 图 3 采煤 机综合监测系统的显示界面 变频器通信单元将变频器机载的微机监测中心 的相关信号通 过专用控制 电缆传送 到工况监测 中 心，以做进一步处理；地面通信接 口单元用于将采 煤机各种监测数据进行“ 打包” ，经采煤机供 电电 缆中的专用信号线 ，分时传送至工作面综合监测系 统 ，再经 监 测 系 统 传 送 至 地 面 ；AD A M 通 信 模 块 的作用是将各路监测信号汇总、转换后传送给工况 监 测 中心 。 摇臂监测单元由单片机及相关电路等组成 ，主 要采集和处理摇臂摆角大小 摇臂高度 、截割 电 机定子绕组温度开关状态信号、截割电机定子绕组 温度信号。该单元安装在截割电机备用接线腔 内， 左右摇臂各一个 。 由于系统 组成部 分多且 分散 ，再 加上受 防爆 要 求限制和采煤机外围环境制约 ，系统中高压控制箱 和牵引控制箱内的部分以及摇臂监测单元利用采煤 机 自身的防爆腔体 ，机身外围监测单元和轴承振动 一 7 7 6一 监测单元采用专用防爆箱体封装 ，相应的供 电电源 和连接 传感 器均采 用本安 型 E x i 。摇臂 监 测单 元 到监测 中心的引线直接利用高压 电缆 中的自带控制 线 ，经隔爆腔过墙接线端子引入高压控制箱。外围 其他单元 引线采用煤安屏蔽 电缆 MA ，并穿在 高压胶管 内，用高压胶管加 以保护。 4 传感器及监测参数 采煤 机 综 合 监 测 系 统 的 监 测 参 数 如 表 1所 示 。 关于检测电压、电流、湿度 、流量 、压力等信 号的传感器 和变送器不再赘 述，下面重点介绍温 度 、机身状态和振动信号的检测。 温度监测对于机械设备的状态监测和故障诊断 具有重 要 意义 。本 系统 中，电机绕 组温度 检测采 用 预 埋 金 属 感 温 元 件 的 方 法 ，具 体 采 用 C u 5 0或 P t l 0 0均 可 ；机械传 动部 温度 监 测 传感 元 件采 用美 国 D a l l a s半 导 体 公 司 的 数 字 化 温 度 传 感 器 D S 1 8 B 2 0 ，省去了诸如铂电阻这样 的传感元件所必 需 的 电压 转 换 电路 。 D S 1 8 B 2 0测 温 范 围 为 一5 5 1 2 5 o C，精度 为 0 ． 5 o C，直 接 输 出 1 7位 二进 制 数字量 ，可以与专用的采集模块进行通信 ；体积 小 ，形如普通二极管 6 ． 5 mm 。为便于安装 固 定 ，采用如图 4所示的封装形式。 表 1 监测参数表 采煤机机身状态参数主要有摇臂摆角 、机身 倾 斜度 、采煤 机 位置 、牵 引 速度等 ，这是 实现 自动 随机移架 一 的基础。 维普资讯 基于多传感器的电牵引采煤机综合监测系统 t { 1 2 0 0 7年第 2 6卷第 9期 屏蔽三 图 4 数 字化 温度 传感器 D S 1 8 B 2 0的封装外 型 目前 ，具有 自动随机移架功能的采煤机的位置 检测 方法 ，基 本上 采用红 外检 测装置 。但 采用 该方 法存在成本高 、维护困难 、费用高、易受工作人员 走动影响等问题 。本文采用防爆磁性接近开关和定 位磁钢实现采煤机定位 ，不仅满足防爆、防尘等特殊 的环境要求，而且价格低廉、工作可靠，且不受人为 影响，基本不需维护，具体实现过程如图 5 所示。 煤壁侧 机 尾左 呸 二 习 采 煤 机 右 机 头 图 5 采煤机定位示意 图 L 、L 2 、R 、R 2 表示 四个定位磁钢及其位置 ， 定位磁钢安装在前部输送机 电缆槽侧壁，磁钢形同 铁块不怕 碰砸 。L 、R 分别为机尾和机头停机位 置 ，L 2 、R 2 分别为报警位置 。K 1和 K 2为安装 在 采煤 机上 的无 源 防爆 磁性 接 近开关 ，并 保证 采煤机 左行时 K 2 点不超出 L 】 点 ，右行时 K】 点不超出 R 】 点 。每个 开 关 有 两 组 常 开 触 头 ，动 作 距 离 范 围 为 1 7 0 mm。L 】 L 2 R 1 R 2 K 】 K 2L，小于机身长度。 当采煤机处于工作面不同位置时 ，接近开关触头断 开和闭合 状态变化如表 2所示 “ 1 ”表示 闭合 ， “ 0 ”表示 断开 。 表 2接近开关接点断开和 闭合状态 中间 右行 K 在 L 2 一R 2 至 R 2 Rl R 2 间 右停 机位 1 1 复位 左行 0 0 左行 至 R2 0 1 左行 K 在 至 L 2 L l L 2 间 左停 机位 1 1 复位 右行 0 0 右行 至 L 2 1 0 Kl 0 K2 0 0 1 0 0 1 0 0 0 采煤机运行时，由机身外围监测单元连续采集 K， 和 K 2的触头状态 ，并进行逻辑判断。当到达报 警位置或停机位置时 ，向采煤机监测 中心发出信 号，监测中心根据位置信号 向控制 中心发出报警或 停机提示 ；报警时同时记忆动作的接近开关状态 ， 停机时重新设定采煤机起始位置 ，结合速度 、方 向 和时间信号 ，就可计算采煤机准确位置并显示。 鉴 于振 动监测 方法 在机 械设 备 的状态监 测及 故 障诊断中广泛成功应用_ 4 J ，尝试将牵引传 动部 中 电机动力输出轴轴承支撑端面作为振动信号的检测 点 ，取水 平、垂直方 向各一个 ，左右 牵引部共 两 组 ，振动特征量选用速度信号。振动传感器采用奇 士乐振动传感 器，配 M3 1型耦合器，输 出为 电压 信号 。 5 结束语 本文设计的电牵引采煤机机综合监测系统 ，已 完成 了样机的开发和实验室调试 ，正在等待安装到 新造采煤机上，以进行井下工业性试验和试运行。 本系统监测范围大 ，监测参数 比较全面 ，并首次将 数字式温度传感器 1 8 B 2 0应用 到煤 矿井下设备监 测 中。其工业应用不仅能为采煤机的正常运行提供 丰富的指导信息 ，而且能为采煤机电机 、机械传动 箱等设备和部件的故障诊断积累宝贵的现场数据 。 参考 文献 [ 1 ] 张建文 ．电牵引采煤机状态监测与信息融合故障诊 断 方法的研究 [ D ] ．中国矿业大学 ，2 0 0 3 ． [ 2 ] 冯泾若 ，杨旗平 ，刘建功 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