懸臂式掘進機遠程監控系統的設計及應用分析

楊 東

（晉能控股裝備制造集團趙莊二號井，山西 長治 046605）

在煤礦開采的過程中，掘進機是一個非常重要的工程機械設備，主要具有如下幾個方面的功能：第一，煤巖截割；第二，裝載；第三，輸送；第四，行走；第五，除塵；第六，噴霧等，因此其是一個非常復雜的系統。由于我國在開采煤炭的過程中，部分地區的煤炭埋藏深度較深，并且隨著淺煤層的開采，逐漸開始向深煤層開采，并且要求在開采的過程中要保證較高的開采效率，因此對掘進機設備運行的穩定性以及可靠性提出了非常大的挑戰[1]。當前，由于自動化與智能化的不斷發展，掘進機設備也在朝著該方向發展。為此掘進機開發人員設計出了掘進機遠程控制系統。該系統能夠實現對井下設備的遠程監控，進而不僅可以大大提高監測的有效性，以及提高設備運行的安全性。在投入運行后，該系統不僅可以降低井下人員的勞動強度，而且可以為煤礦企業帶來更多的經濟效益。為此本研究主要以某煤礦中使用的EBZ-120型掘進機為例子設計研究了遠程監控系統，與此同時將該系統投入使用到煤礦工程中，取得了比較好的成績，因此對井下使用智能化設備起到了推動作用。

1 懸臂式掘進機結構概述

當前，在煤礦開采時，所選用的掘進機類型比較多，大致可以劃分為如下兩種：第一，懸臂式；第二，縱軸式等。對于懸臂式掘進機而言，由于其在煤礦開采時具有顯著的優勢，因此得到了各個煤礦企業的青睞。本文以EBZ-120型懸臂式掘進機為對象進行分析。圖1表示相應的掘進機的主要結構。通過分析圖可知，該設備主要包括如下幾個單元：第一，截割頭；第二，懸臂機構；第三，回轉平臺；第四，液壓裝置；第五，裝運機構；第六，行走機構；第七，裝載鏟板；第八，穩定器等，由此可以看出該掘進機是一個非常復雜的機械設備。由于在開采的過程中，影響開采效率的主要因素是掘進機運行的穩定性，為此需要對掘進機的遠程檢測系統進行探究，從而可以有效地保障掘進機運行的穩定性[2]。

圖1 EBZ-120型掘進機的結構示意

2 遠程監控系統的整體方案設計

2.1 整體方案設計

圖2 表示遠程監控系統整體方案框圖。通過分析系統框圖發現，該系統分為兩部分：地面、井下。對于地面監控中心而言，主要包括兩個單元：第一，數據服務器；第二，監視器等。地面監控中心可以對井下傳輸的信息進行實時顯示，與此同時，將信息存儲在服務器內，進而能夠滿足后期調用的功能。對于井下而言，通?？梢栽诰蜻M巷道內設置不同的分站，而每個分站之間可以選用CAN 總線進行連接，與此同時可以完成與地面上位機進行信息的交互。在掘進機內部設計了以MCU 為基礎的數據采集處理單元，其能夠借助傳感器對掘進機的運行狀態以及相應的參數進行采集，與此同時能夠借助無線傳輸將分站數據進行上傳。硐室中設置監控裝置，可以更方便地監測掘進機的運行情況[3]。

圖2 遠程監控系統的整體方案框圖

2.2 數據采集處理單元

圖3 表示數據采集處理單元結構圖。數據采集及其處理單元是遠程監控系統的核心。其可以對掘進機運行參數進行檢測。該數據采集處理單元主要設置如下幾類傳感器：第一，傾角傳感器；第二，振動傳感器；第三，溫度傳感器；第四，位移傳感器；第五，瓦斯傳感器；第六，壓力傳感器等。由于傳感器在進行檢測時所得到的信息為模擬量，因此借助數模轉換單元將其轉化成為數字信號，最終MCU 微處理器才可以識別，并且對其進行分析與處理[4]。與此同時，MCU微處理器還應該與如下幾個單元進行連接：第一，聲光報警單元；第二，接口單元；第三，顯示器；第四，電源單元等。通常，工作人員可以借助車載顯示器了解設備的運行情況。聲光報警單元能夠保證出現故障時，發出報警信息，以便提醒工作人員。電源單元能夠給數據采集單元提供電能。

圖3 數據采集處理模塊的結構框圖

3 主要硬件設施的選型設計

3.1 MCU微處理器

本系統選用的微處理器為MCU 微處理器型號為STM32L0。該處理器在工業系統中運用較為廣泛，主要是其具有較好的穩定性，并且性價比相對較好[5]。性能主要表現為如下幾個方面：第一，功能較低；第二，芯片集成度高；第三，便于軟件編程；第四，工作時CPU的工作頻率超過72MHz等。

STM32L0型微處理器設置較多的I/0接口，因此可以更好地與不同硬件設施進行連接，從而可以實現信息的交互。該型號的處理器不僅可以實現系統需求，而且能夠實現功能擴展。為了能夠更好地進行信息的處理，通常在輸入和輸出的過程中借助光耦電路對其進行隔離，從而可以實現保護微處理器的作用[6]。圖4表示相應的數據信號輸出單元光耦隔離電路原理圖。

圖4 輸出模塊光耦隔離電路原理圖

3.2 無線傳輸芯片的選型

本研究在設計掘進機遠程監控系統時，為了能夠更好地提高信息傳輸的穩定性，井下控制單元選用無線傳輸的方式，主要借助Zigbee 技術實現信息的交互。當前，市場上可以實現該功能的芯片種類比較多，可是經過分析各個類型的芯片功能發現，CC2430型號的芯片功能最佳，為此將其作為無線傳輸的芯片。該芯片以Zigbee 協議棧實現無線信號傳輸，具有較高的芯片集成度。并且在其內部設置了多種硬件設施諸如：第一，RF 收發單元；第二，數字處理器；第三，存儲器等。經過工程實踐發現，此類型的芯片能耗低，能夠適應較多的工況，并且在信息傳輸的過程中穩定性與可靠性都比較理想[7]。

4 遠程監控系統的工程應用分析

為了驗證元掘進機遠程控制系統的作用，將其設置在某煤礦，圖5為部署示意圖。經過工程實踐發現，該監控系統可以對掘進機運行的參數以及環境參數進行有效地采集、處理[8]。與此同時，可以把上述數據實時傳輸到地面控制中心，從而可以讓操作工作人員實時了解礦井下掘進機工作情況，大大提高控制能力，不僅可以提高工作效率，而且大大降低了井下工作人員的勞動強度[9]。

圖5 實驗系統布置及井下巷道基本情況

經過測試發現，該系統在運行的過程中檢測到掘進機截割部位發生了振動異常的現象，當系統發出聲光報警之后，井下人員及時對故障問題進行了檢查。經過檢查發現，主要是由于截割部位遇到了硬度相對較高的煤巖，進而引起回轉油箱軸銷出現了脫位松動現象。將該故障排除之后，系統不再報警。由此可以看出，在應用該監控系統之后，可以大大提高掘進機運行的可靠性以及安全性。當掘進機工作的過程中，該系統可以及時地發展小隱患、小故障等，從而可以避免重大安全事故的發生，與此同時，可以大大增加設備的使用周期[10]。通過工程試驗發現，該系統在運行的過程中都可以達到預期的效果，并且性能穩定，因此可以大大提高煤礦企業運行的安全性，以及給企業帶來更多的經濟效益。