综采工作面采煤机割煤情况自动监控系统设计分析_张鹏.pdf

综采工作面采煤机割煤情况自动监控系统设计分析张鹏（华阳一矿综采三队，山西阳泉045000）摘要：随着智能控制和智能监控系统的不断发展，矿井无人自动监控系统成为矿井安全管理的重要保障。在已有MG200/50-WD 型采煤机的基础上，根据实际应用经验，设计了一套采煤机割煤监控系统。从总体设计、硬件设计等方面进行了详细的阐述，并对所建监控系统进行了测试，主要包括各个模块的单独检测和整个监控系统的检测。实际应用表明，本系统具有良好的工作性能，具备很高的自动化水平，满足了监测系统的设计要求，对矿井的安全生产具有一定的理论指导作用。关键词：综采工作面；采煤机；监控系统；实验调试中图分类号：TD632.1；TP277文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0176-030引言矿井安全监测是矿井安全生产和职工生命健康的关键所在。因此，根据目前煤矿井下监测系统的现状，针对 MG200/50-WD 采煤机的特点1，进行了矿井监测系统的整体设计和关键子系统的研制，通过现场试验表明，该监控系统的工作性能良好，取得了良好的效果，提高了生产效率和安全。该成果对于进一步提升矿井的生产效率和安全运行、降低工人的劳动强度起到了积极的作用，促进了矿井智能化改造的发展。1采煤机割煤情况监测研究现状分析国内在煤矿设备运行监测等领域的研究与国外相比还有很大差距，这也由于国内的监测系统领域发展相对比较晚，而此时的西方国家已经开发了代表性的监测系统，如美国的 TOSY 和英国的 Airdox2。自工业革命以来，由于煤矿的大规模发展，煤矿对采煤机的需求不断增加，同时也出现了一些安全事故，因此，对煤矿的监测工作越来越重视。目前，我国煤矿井下的监测技术大多是由各高校和企业共同开展的，例如，中国矿业大学开发的 DFS采煤机动态监测系统主要依靠矿井的振动信号来识别井下煤矿的设备状态。此后，煤矿井下的监测系统得到了进一步的发展，通过对煤矿井下的常见故障进行了分析，并将其与故障诊断、疲劳寿命相结合，从而使监测系统更加完善。但是，由于矿井条件较差，往往会对监测系统的信号进行质量控制，从而对监测工作造成不便。因此，针对采煤机的割煤情况研制出一套功能完善、精度较高的自动监测系统显得十分有必要。2采煤机割煤情况监测系统总体方案设计煤矿安全监测工作对煤矿井下工人和设备的安全起到了至关重要的作用。因此，对煤矿井下的设备状况进行监测，能有效地减少设备的故障率，为煤矿安全、高效的生产提供了有力的保障。2.1状态监测系统设计原则煤矿井下监控系统的设计原则是建立煤矿井下监测系统的基本原理，系统的各个子系统、硬件和软件的设计都要围绕矿井的设计原理进行，从而大大提高了系统的工作效率。其中，控制系统的硬件部分是整个控制系统的核心部分3，在设计时要注意体积、能耗、信号传输能力等方面的问题。由于在矿井工作环境中，必须将硬件模块设置在相对狭窄的巷道中，因此，当功率消耗小时，其工作时间就会延长，而信号的传播距离也会变得更好。由于以后可能会有其他的功能模块加入，所以可以扩充硬件模块。2.2系统总体方案设计监控系统需要在上位机上对采煤机割煤情况进行实时监测和远程控制，因此需要采用直观的界面、稳定的性能和良好的通信性能，并将各种硬件系统集成到一起，从而实现了系统的整体结构设计，见下页图 1。整个系统包括采煤机地面监控系统、采煤机巷道监控系统和采煤机机载监控系统；在采煤机机载监测系统中，安装各种温度传感器、角度传感器和速度传感器，并将数据传输到机载控制器的输入模块，对数据进行分析、计算和处理，同时将处理后的数据传送给各种不同的电磁阀执行器，以实现相应的操作。监控系统的主要功能是将采矿设备的工作状态实时传输到矿井的控制计算机，在机载 PC1 上装有数据采集软件，可以对采煤设备的工作参数进行 A/D 变换，然后通过 Zig Bee 无线通信模块进行传输。信号的传送可以经过几个 Zig Bee，最终通过总线传送至 CAN 节点 1，然后经由通信信道传送至 CAN 节点 2，最终到达地面控制系统，井下采煤机的实时割煤情况会通过显示屏呈现给相关技术人员。收稿日期：2022-09-13作者简介：张鹏（1994），男，山西榆社人，本科，毕业于山西大同大学采矿工程专业，采矿助理工程师，从事采煤技术工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.071自动化系统设计2023 年第 6 期3监测系统硬件的选型设计3.1网关模块硬件设计系统网关模块的主要功能是接收、转换、处理和存储整个监控系统采集的数据，最后通过 CAN 总线将其传输至监控子站。其中，系统的网关模块主要包括 STM32F103RCT6 微控制器、信号处理芯片、CAN收发器、CAN 总线等设备。同时，微处理器采用STM-CT6 微处理器，包含 CC2530 芯片。电源电路模块通过输出电源实现微处理器的正常工作，并通过CAN 收发器和总线传输数据。此外，CH376 和 CC2530转换模块用于转换分析的数据信息，并将其输出到外部存储器进行存储，图 2 为网关模块的硬件配置。监测系统在使用中会受到外界信号和元件本身的干扰，从而使许多指标不能满足设计要求。为了提高系统的整体性能，设计了一套天线和巴伦匹配电路，有效解决了系统中射频信道指数大、通信距离短、功耗高的问题。C10、C11、C13 等电容元件和 L3 和 L4等电感器用于通过串联和并联连接在天线和电缆之间形成不对称转换器，可以切断和消除进入电缆外壳的外界的电流，从而防止从外部的线路信号干扰到电缆的内部。3.2CAN 总线通信结构及存储器的设计CAN 总线模块分为两类，分别为 CAN-High 和CAN-Low，一个连接到 Zig Bee 模块，便于进行数据的传递，而另一个则连接到了监测系统的主机，用于控制主机的信号的输入和输出。CAN 控制器采用两个结点之间的网差，对信号进行显示或隐藏，在其起始端设有 120 的终端电阻器，以减小在信号传送时产生的回声反射，CAN 总线的结构设计如图 3 所示。该 CAN 总线能够有效地确保信号在整个监控系统中的传输速度和稳定性，并能防止外界的干扰。存储器的功能是收集存储系统中的临时数据，并确保系统的数据传输。CH376 用作连接外部存储器的芯片。它的内存性能非常好，可以提供 12 MHz 的 SPI通信接口，还可以支持 3 Mbit/s 的异步串联。4系统实验调试测试通过仿真实验进行调试是检验整个系统的设计和功能是否满足设计要求的重要方法。在完成所有的系统设计后，有必要对每个子系统进行测试和评估，因为空间有限，介绍了通信模块和系统整体测试。首先，要建立一个通信测试的实验平台，所需的硬件设备包括 Zig Bee 模块、电源、GWSD/100 传感器、计算机、SD 存储卡等。两个 Zig Bee 模块在不同距离传输，达到了 300 m 的高质量传输信号，信号的丢失率比较低。将 Zig Bee 模块 1 个与单片机相连，Zig Bee 模块通过 USB 接口与主机相连。通过对两个 Zig Bee 组件的数据传输性能进行了验证。将每一次测试的数据进行详细的记录，对 Zig Bee 模块进行了反复的试验，以图 1监测系统整体结构框图图 2网关模块的硬件配置结构图 3CAN 总线通信结构采煤机 WinCC监控平台WinCC 数据库服务器采煤机 3DVR 数字化监控平台OPC 数据库服务器综采工作面视频监视平台视频解码服务器无线 Mesh 网路管理平台无线网络管理服务器采煤机地面监控系统采煤机巷道监控系统有线以太网采煤机 WinCC 监控平台采煤机 3DRVR 数字化监控平台综采工作面视频监视平台无线 Mesh 网络管理平台网络通信模块数据储存模块数据传输模块状态评价模块路径优化模块煤层预测模块无线以太网牵引速度轴编码器左右摇臂倾角传感器机身倾角传感器破碎电机泵电机温度传感器左右截割电机温度传感器左右牵引部高速轴温度传感器左右截割部行星头温度传感器变压器温度传感器左右截割电机电流左右牵引电机电流冷却水流量传感器瓦斯浓度检测仪传感数据网络通信模块数据处理煤层分布边界路径优化状态评价协同调节故障处理机载控制器输入模块输出模块隔爆摄像机人机交互界面左摇臂上升电磁阀左摇臂下降电磁阀右摇臂上升电磁阀右摇臂下降电磁阀智能调高采煤机制动电磁阀采煤机牵引电机速度智能调速采煤机机载监控系统电源模块外部存储CH376CAN 收发器STM32F103VET6CC2530CAN总线接口CC2591单元 1单元 nCAN HighCAN Bus Line120 120 CAN Low逻辑值10CAN HighCAN Low隐性显性隐性6420张鹏：综采工作面采煤机割煤情况自动监控系统设计分析177机械管理开发第 38 卷检验 Zig Bee 模块的信号传输性能，以及在发送时的丢包率，具体测试数据见表 1。采煤机监测系统的整体试验是整个系统的最后一步，当各个子系统均已联接时，其主要分为两个阶段：通过无线网络将来自传感器的数据传输到中心控制计算机；通过集中控制计算机向矿井控制系统发送指令。试验结果表明，该监控系统的整体性能符合设计要求，能够有效地对矿井以及采煤机的割煤情况进行实时监测。5结语针对当前煤矿井下采煤机割煤情况自动监测系统存在的不稳定、测量精度低、信号传输质量差等问题，结合当前煤矿井下煤矿井下煤矿井下作业情况，采用 CAN 总线技术和 Zig Bee 通信模组技术，研制了一套煤矿井下作业状态监测系统。本文详细地阐述了该监控系统的整体结构和硬件设计，并进行了初步的试验。主要包括各模块的独立检测和整个监测系统的检测。实践证明，本系统能够实现对采煤设备的远程查看和控制，满足了矿井监控系统的设计要求，对矿井的安全运行具有一定的指导作用。参考文献1高江波.智能综采工作面采煤机割煤情况自动监控系统设计分析J.机械管理开发，2022（1）：229-231.2崔玉礼.基于物联网技术的掘进机自动监控系统研究J.煤炭技术，2013（12）：39-41.3王苏彧，杜毅博，薛光辉，等.掘进机远程控制技术及监测系统研究与应用J.中国煤炭，2013（4）：63-67.（编辑：王慧芳）距离/m丢失率/距离/m丢失率/距离/m丢失率/00252.450050300550101350600150400650200452.5706.7表 1节点的丢包率Design and Analysis of Automatic Monitoring System for Coal Cutting Situation of FullyMechanized Mining Face ShearerZhang Peng（Comprehensive Mining Team 3 of Huayang No.1 Mine,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:With the continuous development of intelligent control and monitoring systems,unmanned automatic monitoring systems in mineshave become an important guarantee for mine safety management.On the basis of the existing MG200/50-WD coal mining machine andbased on practical application experience,a coal cutting monitoring system for the coal mining machine has been designed.The overalldesign,hardware design,and other aspects have been elaborated in detail,and the built monitoring system has been tested,mainlyincluding individual detection of each module and detection of the entire monitoring system.The practical application shows that this systemhas good working performance,high automation level,meets the design requirements of the monitoring system,and has a certain theoreticalguidance role for the safety production of mines.Key words:fully mechanized mining face;coal mining machine;monitoring system;experimental debugging的了解，综合实际工作过程中遇到的问题，提出了基于模糊 PID 的纠偏算法，实现对掘进机行走机构的控制。同时为了保证掘进机能够正常稳定的工作对掘进机的电控系统进行硬件选型、软件设计，最后通过试验进行验证，保证了应用本电控系统后能够正常、可靠的工作，有助于促进掘进机朝着更加智能化、自动化的方向发展。参考文献1郗燕杰，范柄尧.基于 CAN 总线的掘进机状态监测系统研究J.中国设备工程，2022（14）：181-182.2葛玉生.EBZ260W 掘进机电控箱减振的优化设计研究J.山东煤炭科技，2021，39（10）：129-131.3许连丙.基于神经反应的矿用掘进机电控系统的设计研究J.煤炭技术，2021，40（3）：131-133.（编辑：王婧）Design of Intelligent Roadheader Electronic Control System and Research on PositionCorrection TechnologyPan Zhiyong（Jinneng Holding Coal Group Shuozhou Shuo Coal Wangping Coal Industry Co.,Ltd.,Shuozhou Shanxi038300）Abstract:The intelligent electronic control system of roadheader and the algorithm of posture correction during travel are studied toachieve real-time status detection and early warning,automatic travel,automatic cutting and high-quality remote communication during theworking condition of roadheader,so as to improve the intelligence of the electronic control system of roadheader and completely solve theproblems of high labor intensity,low efficiency and safety hazards of the manually controlled roadheader.Key words:intelligence;roadheader;intelligent electronic control system;position correction algorithm（上接第 175 页）178