李飞飞

（山西焦煤霍州煤电汾河焦煤公司三交河煤矿，山西霍州 031400）

0 引言

采煤机的工作位置是井下最重要、最危险的前端生产环节，在运行过程中会受到煤层、岩石的冲击，使电机负载出现波动。与此同时，由于工作环境的恶劣，采煤机极其容易受到现场煤尘、水雾等其他方面的污染，影响采煤机的稳定性和使用寿命。对采煤机部件电气安全和故障诊断的研究，一方面可提高设备运行的稳定性，另一方面。可以改变“事后维修”或“定期维修”的现状。采煤机的安全运行与故障诊断的研究，需要解决煤矿井下数据获取及电机故障类型分析两个关键问题。井下数据获取主要通过硬件电路设计来实现对电机、变频器和各控制回路的关键参数的采集和传输。近年来学者们分别从数据传输[1]、语音报警[2-3]、故障监测仪等方面进行研究，奠定了远程数据传输的基础。本文作者通过无线通讯技术，将现场数据传输到上位机，实现对采煤机电气部件的故障诊断。

1 采煤机电气故障分析

1.1 电气故障分类

采煤机电气部件故障原因主要有短路或者断路、绝缘下降、电器元器件损坏、接地或者回路内连接处的接触不良甚至断线脱焊等[4-6]，导致的故障主要有：变频器不启动或运行报错、截割电机不启动或在运行时跳闸、传输机不启动、采煤机启动后自动掉电或者保护开关误动作。按照电动机故障发生部位的不同，故障可以被分为定子故障、转子故障及轴承故障。

1.2 常见故障分析

根据现场电动机出现故障的频率，主要分析以下几种常见故障:

（1）相间短路故障。在异步电机出现的所有故障当中，相间短路是常见的故障之一，在电机实际运行中，占故障总数的很大一部分[7]。当发生三相短路故障时，绕组上的电流为电动机额定电流的8～10倍，电动机的转速急剧下降。

（2）堵转故障。堵转故障是电机故障中最危险的一种故障，在异步电机正常工作时，电机的转速差s≈0.05，堵转故障发生时转子转速迅速降低，接近于0，转速差s≈1，等效电路图如图1所示。此时，如果电机仍然在额定电压下工作，转子的等效电阻减小约20倍，流过定子和转子的电流将是额定电流的4～8倍。故障发生时间较长则容易烧毁电机，在电机运行中应当早发现、早处理。

图1 异步电机等效电路图

（3）过载故障。当采煤机的截割电机负载过大或者供电电压、频率降低时，电机发生过载故障。发生过载故障时，电机电流将会是额定电流的1～5倍，电机发热，可能会烧坏导线的绝缘层或者加速导线绝缘的老化，减少电机的使用寿命。在电机的实际运行中，会出现瞬时性过载和稳定性过载，其中只有稳定性过载对异步电机产生危害[8]。

（4）断相故障。断相故障会使流过绕组的三相电流不对称，产生负序电流。断相故障发生在异步电机的启动过程中时，流过电动机的电流为额定电流的0.866倍，电机无法正常启动；断相故障发生在正常运行电机上时，如果负载不变，电流将是额定电流的2倍以上，严重影响电机正常工作。

2 系统硬件设计

根据上述对异步电机常见故障的分析可以得知，需要采集的现场数据主要为采煤机各个部位电机的电压、电流、温度数据，采煤机的电气故障数据通过Zigbee模块上实时传给上位机显示软件。

2.1 Zigbee模块电源设计

根据现场需求，选用Zigbee模块的芯片为CC2530芯片，该芯片的外部供电电压范围是2.0～3.6 V，工作频率为2.4 GHz。协调器电路是ZigBee硬件电路中重要的一部分，主要负责无线网络的建立与维护，ZigBee协调器需要持续工作，不能断电。供电方式选择为外部供电。电源电路如图2所示，其中系统电源输入电压为12V直流电，经过LT1129-3.3降压芯片，输出3.3V电压，供给ZigBee协调器使用。同时，为了增加输出电压的稳定性，在电压输出端并联了两个电容，一个0.1μF的贴片电容和一个10μF的钽电容。

2.2 串口通讯设计

Zigbee模块可以选择的串口通讯方式有RS-232、RS-485和USB，该系统采用的通讯方式是RS-232通讯，利用MAX3232ESE实现TTL和RS-232之间的电平转换，设计电路如图3所示。其中RX1、TX1接单片机的串口，RX232-1、TX232-1分别接Zigbee模块的RS-232专用串口，进行数据传输。同时，为了增加系统的扩展性，预留一路串口，方便以后硬件结构的升级。

图2 电源电路图

图3 串口通讯电路

2.3 外部实时时钟

考虑到数据采集的实时性，在Zigbee协调器电路中增加外部时钟模块，可以为Zigbee协调器提供精确的时钟信息。外部时钟芯片选用SD2200时钟芯片，该芯片具有内部晶振，支持I2C总线接口，每年的误差在2.5 min以内。SD2200内部具有电池，可以在没有外部电源的条件下连续工作5年。电路原理图设计如图4所示。

图4 SD2200实时时钟

3 系统软件设计

3.1 程序设计

系统软件基于Keil5软件环境开发，采用C语言编写，程序主要实现各种传感器数据采集、I/O控制、异步串口通讯、远程数据传输。Keil5软件集成了多种函数库文件，可以方便地进行编译，提高编程效率。程序流程图如图5所示，程序的主要功能是完成传感器的数据采集和数据发送。

图5 软件流程图

3.2 基于VB的上位机设计

设备状态监测系统的主要软件平台在VB的基础上进行开发，针对现场数据的获取，主要显示的现场数据是电压、电流和温度数据。同时，可以绘制出整个工作过程中电机电流、电压的变化曲线，方便后续的分析。根据故障诊断的需求，在上位机界面可以选择不同位置电机的运行状态进行显示和故障分析。上位机界面如图6所示。

图6 上位机界面示意图

4 总结

系统通过对采煤机电机故障进行分类总结，得出不同电机故障的电压、电流特性，为故障诊断方法奠定了基础。根据故障诊断的需求，从硬件、软件两方面对现场数据获取系统进行了具体设计，基本上可以实现对采煤机关键部件的故障诊断，为采煤机电气部件的安全运行提供可靠保障。该研究还存在一些不足：可以开发Zig⁃bee协调器电路GPRS传输通道，为数据传输提供可靠保障；上位机界面需要进一步的优化，可以增加历史数据的存储功能。