刘计平

(山西柳林煤矿有限公司，山西 柳林 033300)

0 引言

采煤机作为井下煤矿开采的核心设备之一，在综采生产中主要承担落煤和装煤的任务，其工作效率及运行稳定性对于井下煤矿开采效率至关重要。由于井下恶劣的工作环境，当采煤机遇到较大的冲击负荷或长期重载运行等情况时，其截割部轴承、齿轮及滚筒等关键部件极易发生严重摩擦甚至损坏，从而严重影响采煤效率，甚至发生安全事故。而在众多采煤机故障情况中，摇臂的故障率占比高达50%左右，因此针对采煤机摇臂进行健康状态监测及故障预警诊断显得尤为重要。

目前国内许多中小型煤矿针对采煤机摇臂的监测及故障预警诊断仍采用传统的人工巡检方法，不仅效率低下，而且会耗费大量人力。同时人工方式的检修结果受人为因素影响较大，通常只能发现较为明显的故障，因此需要通过更为智能的监测系统对采煤机摇臂进行自动化监测及全面故障预警诊断[1-4]。由于国内针对采煤机监测系统技术起步较晚，大部分系统的监测范围不全面、故障预警及诊断水平低下，系统整体可靠性及功能性不够理想。针对上述问题，本文设计了一套以STC单片机为控制核心的采煤机摇臂监测系统，并通过传感器及总线通信技术实现较为全面的参数监测及故障位置的迅速确定，从而可有效降低采煤机的故障率。

1 摇臂运行监测系统总体方案设计

采煤机在井下恶劣的工作环境中长期重载运行，存在着摇臂极易发热以及内部齿轮、轴承等重要部件磨损失效等问题，因此在确定监控系统总体方案之前，首先需要确定系统的监测对象及监测方案。首先针对摇臂发热问题，需通过温度传感器对摇臂的油箱、齿轮箱、轴承、臂身等关键部位的温度参数进行实时采集；其次针对摇臂内齿轮、轴承的磨损问题，可通过振动传感器对上述部件的振动位移量进行监测。

根据上述对监测点及相应监测量的分析，本文采用分布式结构对监测系统进行架构，系统整体可分为井上监控层、下位机监控层和现场设备层，摇臂运行监测系统整体结构如图1所示。

图1 摇臂运行监测系统总体结构图

由图1可知，系统按照功能可大致划分为上位机监控模块、现场触摸屏监测模块、单片机控制模块、运行参数采集模块及电源模块五大部分。上位机监控模块的人机交互界面用于摇臂参数的实时显示及相应控制、报警指令的下达，可通过CAN总线与下位机进行通信。现场监测模块主要由现场触摸屏构成，触摸屏也可对运行参数实时显示，同时现场工人可在井下通过触摸屏根据显示参数对系统标定参数、报警参数等进行设置，现场监测模块采用Modbus协议通过RS-485与单片机控制核心进行通信。下位机监控层主要由两个STC主控芯片和多路振动传感器及温度传感器组成，其中两个主控芯片分别位于采煤机摇臂的前臂和后臂，用于收集并处理采煤机前后摇臂的温度及振动位移量数据。下位机监控系统原理框图如图2所示。

图2 下位机监控系统原理框图

由于温度传感器所采集的温度数据需通过变送器转换为幅值很小的电压信号进行输出，因此首先需要对该信号进行放大，然后经滤波等调理电路、A/D转换电路处理后转换为单片机可处理的输入信号。而采煤机摇臂的振动位移量通常很小，因此由振动传感器所采集的信号也需经过放大处理，同时为了保证信号传输的可靠性，还需将振动传感器输出的电流信号通过I/V调理电路转换为电压信号后再经A/D转换模块输出至单片机输入端。STC主控芯片在接收到摇臂运行数据后，通过预置报警程序判断参数是否超限，如果超限就会进行报警操作，并通过Modbus协议将工况参数实时上传至人机交互界面显示。

2 硬件方案设计

本监测系统硬件主要由以下部分组成：①STC主控芯片，主要用于接收和处理来自传感器的摇臂参数信号；②温度及振动传感器，用于现场摇臂参数的实时采集；③电源模块，为主控芯片及传感器供电。同时为了保证信号的可靠传输，整个系统的硬件电路主要包括信号放大电路及I/V转换电路，系统A/D转换模块及通信接口均使用STC单片机内部集成的模块。

结合以上对系统监控功能的分析，本系统的主控芯片选用IAP15W4K58S4-30型STC单片机，其内部具有38个I/O通用接口，具备8路10位模数转换器和4个独立异步串行通信端口UART，同时片内还集成6路PWM及7个具备预分频功能的定时/计数器，可完全满足本系统的端口数量、A/D转换及串行通信等功能需求。

本文选用K型热电偶对摇臂油箱、齿轮箱、轴承、臂身等关键部位进行温度数据采集。K型热电偶具有灵敏度较高、抗氧化能力强、性价比高等优点，其温度测量范围为0～300 ℃，为了保证输出线性，其输出信号为0～4 mV小电压信号，需通过信号放大电路进行处理[5-7]。本文选用CYT9200型振动传感器对摇臂齿轮、轴承等重要部件的振动速度进行实时采集，CYT9200的量程为0～50 mm/s，频率响应为10 Hz～1 000 Hz，输出信号为4 mA～20 mA电流信号，需通过I/V转换电路进行处理后再输入至单片机A/D模块中。

本系统主控芯片内部A/D转换模块的输入信号为0～5 V电压信号，故振动传感器所采集的4 mA～20 mA电流信号需通过I/V转换电路进行处理[8]。本系统所设计的I/V转换电路原理图如图3所示。

图3 I/V转换电路原理图

图3中的A1起到了射极跟随器的作用，通过调节电位器R1可使其输入基准电压稳定为1 V。4 mA～20 mA电流信号经R3转换为1 V～5 V电压信号，再经差分放大电路最终输出0～5 V电压信号，最终输入至STC单片机的A/D转换模块输入端中。

本文选用OP07运算放大器对K型热电偶信号放大电路进行设计，其电路原理图如图4所示。其中OP07起到了差分放大器的作用，两个测温及参考热电偶分别用于测量摇臂关键部位温度和环境温度，测温热电偶上的温度变化会转换为电势量经放大后输出所需的电压信号。

图4 测温放大电路原理图

3 软件方案设计

采煤机摇臂监测系统软件主要分为下位机监测子系统和上位机交互子系统两部分，其中下位机监测子系统主要功能包括运行参数采集、数据处理、A/D转换、串口通信等；上位机子系统主要用于参数的实时显示、传感器等设备参数标定、报警参数设定等，系统软件具体功能如图5所示。

图5 采煤机摇臂运行监测系统软件功能图

本监测系统主程序的功能是对采煤机摇臂上的多路传感器信号进行循环采集与处理。系统初始化后首先判断传感器信号来自于前臂还是后臂，并打开测温热电偶开关和串口中断进行数据收发，当采集完热电偶冷端温度补偿参数后依次采集各传感器的参数，最后检测温度传感器无故障后断开测温热电偶开关，主程序流程如图6所示。

4 结束语

本文针对传统采煤机摇臂监测系统的不足，以STC单片机为控制核心结合总线通信技术设计了一套监测参数全面、响应速度快、稳定性高的采煤机摇臂运行监测系统，可实现采煤机摇臂关键参数的实时监测与故障精准定位，保证了采煤机安全高效运行。

图6 主程序流程图