CN103434816A - 刮板输送机链条状态监控及保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刮板输送机链条状态监控及保护系统，其特征在于：包括微控制器单元、无线测量单元、交流采样单元、模拟量调理单元、显示单元、通讯单元、按键单元、开关量单元和驱动单元。本发明采用模块化的系统结构，将上述各单元组成一个有机整体，采用无线测量技术更加直接准确地监测链条运行状态，根据负荷情况动态调整链条的状态，在出现卡链、断链事故后通过发送报警信号给组合开关进行故障保护，并进行故障报警，提高了刮板输送机运行的安全性和稳定性，保证煤矿井下的生产安全。

Description

刮板输送机链条状态监控及保护系统

技术领域

本发明涉及一种刮板输送机链条状态监控及故障保护系统，尤其适用于煤矿井下综采工作面大功率刮板输送机链条状态监控及保护。 

背景技术

刮板输送机是矿井综采工作面的主要运煤设备，其运行可靠性直接影响着工作面采煤的连续性和安全性。同时，随着生产效率的不断提高，大力建设年产千万吨级综采工作面已成为我国矿井主要发展方向。这就要求综采工作面刮板输送机装机运输容量不断提升，同时对刮板输送机的故障保护也提出了更高要求。据统计，刮板输送机40%以上的故障都是由链条引起的，所以对链条进行状态监测和保护可以有效地降低刮板输送机故障概率。 

综采工作面环境复杂，刮板输送机运行时受负载不平衡、片帮和液压支架分组推溜等原因的影响，造成链条张紧力分布不均匀，使链条发生塑性形变和弹性形变，导致链条不是过紧就是过松。链条过紧或过松均会使链条不能与链轮正常啮合。链条过紧会引起链条内侧磨损加重，导致跳链或断链；链条过松则会引起链轮下部的链条堆积，导致卡链事故。此外，链条过紧会加大电机的输出功率，引起电机、液力耦合器、减速器等传动机构运行温度升高，大大缩短设备使用寿命。 

目前，国内主要通过油缸压力与刮板输送机链条张力对应关系、悬垂量与刮板输送机链条张力对应关系这两种方法来判断刮板输送机链条的张紧状态，从而实现自动或手动控制链条张紧力。但是，由于这些参量难以在刮板输送机运行过程中实时准确测量，因此实际控制时一般采用手动控制方式，未能实现自动控制，不能满足自动化工作面的建设要求。国内现已研制出基于恒压方式控制的链条张紧装置，由于其不能随着链条张力的变化进行实时调节，所以未得到广泛应用。现如今，矿用刮板输送机链条状态仍然以人工观测为主，即工人依靠其实践经验在易堆链处对链条的松紧程度进行判断后，手动调节液压油缸以达到调节链条松紧的目的，因此存在很大的不确定性和随机性，容易引发链条故障。 

国外对刮板输送机链条状态监测的研究较早，但直接测量发生在链条上的张力变化一直是研究难点，所以仍以间接测量方式为主，主要包括以下三种测量方式：（1）悬垂量与张力关系；（2）功率与张力关系；（3）机尾伸缩油缸压力与张力关系。根据这三种原理，德国DBT公司和美国JOY公司均开发出了相应的链条张紧装置。由于负荷发生变化后，悬垂度、功率或伸缩油缸压力与张力的关系也会随之改变，因此这些方法均不能根据外界负荷变化实时动态调整链条张紧力，这也是为什么这几家公司的产品进口后常常被矿方置于手动方式的原因所在。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下刮板输送机链条状态监控及保护系统，用于解决煤矿井下刮板输送机链条状态不能实时准确监测、链条不能随负载变化自动调整运行状态、在发生卡链和断链故障后不能及时对链条进行保护等问题。通过对刮板输送机运行状态、链条张紧状态和刮板输送机负荷状态的特征量进行在线检测、信息融合和特征提取，驱动单元调整刮板输送机链条张紧度使其根据负载变化进行实时调整，并对卡链、断链故障进行诊断、保护和报警，从而在故障发生后及时停止刮板输送机的运转，确保刮板输送机的安全运行，保证煤矿井下的生产安全。 

本发明提供的技术方案是：一种刮板输送机链条状态监控及保护系统，其特征在于：包括微控制器单元、无线测量单元、交流采样单元、模拟量调理单元、显示单元、通讯单元、按键单元、开关量单元和驱动单元； 

所述微控制器单元采用双CPU结构，用于提高系统控制的实时性；

所述无线测量单元，包括感应测力传感器、信号调理模块、发射模块、接收模块和天线，其中感应测力传感器安装在刮板输送机链条上，用于测量链环的纵向形变，进而得到链条所受的张力；通过该单元将测量的链条张力信息发送至微控制器单元；

所述交流采样单元包括三相电流互感器、相电流调理电路和电流采集模块，该单元输入与三相电流互感器相连接，其中三相电流互感器安装在刮板输送机机尾电机进线处，用于测量电机电流，其输出接相电流调理电路；电流采集模块输出接口接微控制器的GPIO口，通过虚拟SPI方式进行电流值的读取； 

所述模拟量调理单元，包括测速传感器、压力传感器和行程传感器，其中测速传感器安装在刮板输送机机尾电机上，用于测量电机转速；压力传感器和行程传感器安装在刮板输送机机尾油缸内，用于测量油缸压力和油缸行程，并通过与液压支架建立通信连接，实时采集采煤机的位置信号；该单元是将采集的信号经过隔离输入保护电路、贝塞尔滤波器、跟随电路、分压电路及限压保护电路处理后与微控制器的A/D管脚相连；

所述显示单元，包括液晶屏和可触摸彩屏，液晶屏与微控制器的GPIO口相连接，可触摸彩屏置于防爆外壳内，通过通信方式与微控制器相连；

所述通讯单元，由两路RS-485通信电路和1路SPI通信电路组成，其中微控制器之间使用SPI方式通信，微控制器与无线测量单元的接收模块使用RS-485方式通信，微控制器与可触摸彩屏使用RS-485通信方式；

所述按键单元，为4×8矩阵键盘，其输出与微控制器的GPIO口相连接，对本系统的工作参数进行设置；

所述开关量单元，包括采煤机和刮板输送机启动信号、急停按钮信号，急停按钮与微控制器的中断口0相连，其余开关量输入信号与微控制器的GPIO口相连接；

所述驱动单元，是将本系统的控制驱动电路与微控制器的GPIO口相连接，通过控制电磁先导阀来对液压系统进行调节，进而调整刮板输送机机尾，使链条始终维持在一个较理想的张紧状态。

本发明中，所述的微控制器单元包括微控制器单元一和微控制器单元二，其CPU均采用C8051F020型单片机，微控制器单元一负责数据显示、按键输入、开关量输入以及与接收模块和微控制器单元二通信，微控制器单元二负责传感器信号采集、综合判断、输出驱动控制以及与微控制器单元一通信。 

本发明中，所述的显示单元中液晶屏为128*64液晶屏，可触摸彩屏为10寸可触摸彩屏。 

本发明提供的方案具体实现过程为：在刮板输送机链条上安装感应测力传感器，测量链环的纵向形变来得到链条所受张力，并通过无线通讯方式将数据发送至微控制器；在刮板输送机机尾电机上安装测速传感器，用于测量电机转速；在电机进线处安装三相电流互感器，用于测量电机电流；在刮板输送机机尾油缸内安装压力传感器和行程传感器，用于测量油缸压力和油缸行程，并通过与液压支架建立通信连接，实时采集采煤机的位置信号；刮板输送机机尾采用可移动机尾，在机尾两侧安装液压油缸，系统通过控制液压系统来实时调整链条的张紧程度。微控制器通过采集以上传感器信号，对刮板输送机运行状态、链条张紧状态和刮板输送机的实际运载负荷进行综合判断后，微控制器的驱动单元控制液压系统对刮板输送机机尾的伸缩量进行调整，改变链条的运行状态，并在链条出现卡链、断链故障后通过发送故障报警信号给组合开关进行故障保护，并发出故障报警信号；同时通过微控制器对采集的信号进行分析、处理、显示和上传，为管理人员提供刮板输送机的运行信息。 

本发明中所述的具体测量方法为：通过无线测量单元采集链环形变信息，计算得到刮板输送机的链条张力，再通过判断功率是否与负荷匹配来评估链条运行状态，最后根据判断结果，通过驱动单元对液压系统进行控制，进而调整链条的张紧程度；同时根据监测到的转速、张力等特征信号，进行信息融合。当链条出现故障时，发送故障信号给组合开关对其进行保护，并发出故障报警信号；当链条无故障时，根据链条的状态进行实时调整。链条的形变信息通过无线测量单元采集并将数据发送至微控制器，微控制器计算此时刮板输送机链条的张紧力；根据刮板输送机负荷随采煤机位置不同呈斜坡变化的规律，在整个刮板输送机运输范围内将工作面划分为不同区域，每一区域对应不同的加权系数，刮板输送机的负荷通过满载运输量、加权系数和电机电流值计算得到；微控制器通过采集刮板输送机机尾电机电流信号、电机转速信号及采煤机、刮板输送机启停信号，将其与卡链、断链事故发生时的对应特征信息进行比对，综合判断链条是否发生卡链或断链故障，并通过驱动单元对刮板输送机链条张紧程度进行动态调整，通过通讯单元将故障报警信号发送至组合开关，将采集数据和故障报警信号上传至地面调度室。 

本发明中所述的卡链、断链故障具体判断方法为： 

卡链时，电机转速迅速下降，并结合无线测量单元发回的数据判断链条张力是否正常，如果此时链条张力超出了正常的测量范围，则认为刮板输送机发生卡链事故；

断链时，电机转速先下降再上升，若同时伴随着链条张力先增大再减小并稳定在极小值，则认为刮板输送机发生断链事故。

本发明采用模块化的系统结构，将微控制器单元、无线测量单元、交流采样单元、模拟量调理单元、显示单元、通讯单元、按键单元、开关量单元及驱动单元组成一个有机整体，采用无线测量技术更加直接准确地监测链条运行状态，根据负荷情况动态调整链条的状态，在出现卡链、断链事故后通过发送报警信号给组合开关进行故障保护，并进行故障报警，提高了刮板输送机运行的安全性和稳定性。 

附图说明

图1是本发明的组成结构框图； 

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的总体程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图用具体实施例来进一步详细描述本发明所称的刮板输送机链条状态监控及保护系统，所述领域的技术人员在阅读了本具体实施例后，能够实现本发明所述的技术方案，同时也能够体现本发明所述的优点与积极效果。 

如图1和图2所示，本发明所述的刮板输送机链条状态监控及保护系统，包括微控制器单元、无线测量单元、交流采样单元、模拟量调理单元、显示单元、通讯单元、按键单元、开关量单元和驱动单元。 

微控制器单元采用双CPU结构，包括微控制器单元一和微控制器单元二，其CPU均采用C8051F020型单片机，微控制器单元一负责数据显示、按键输入、开关量输入以及与接收模块和微控制器单元二通信，微控制器单元二负责传感器信号采集、综合判断、输出驱动控制以及与微控制器单元一通信。依据计算的实际负荷和无线测量单元测量的状态值，并结合通信信息，将交流采样单元与模拟量调理单元采集的数据进行融合、判断和处理，实现对刮板输送机链条状态的监测。根据负荷的变化实时调整链条运行状态，同时在卡链、断链事故后报警并向组合开关发送故障信号。通过本系统的按键单元，可以对刮板输送机的工作参数进行设定。井下工作人员可以及时通过系统显示装置了解刮板输送机链条的运行状况，并通过预留的通讯接口，可以实现对控制器的远程监控。 

无线测量单元包括感应测力传感器、信号调理模块、发射模块、接收模块和天线，其中感应测力传感器安装在刮板输送机链条上，用于测量链环的纵向形变，进而得到链条所受的张力，再通过信号调理模块将传感器信号进行差模放大处理。无线测量单元使用精密稳压电路进行供电，从而保证测量值的准确性和精度；发射模块通过无线通讯将信号调理模块输出的信号传输至接收模块，接收模块通过串行通讯将数据发送至微控制器单元一。 

所述交流采样单元包括三相电流互感器、相电流调理电路和电流采集模块，该单元输入与三相电流互感器相连接；其中三相电流互感器安装在刮板输送机机尾电机进线处，用于测量电机电流，其输出接相电流调理电路；电流采集模块输出接口接微控制器单元二的GPIO口，微控制器单元二通过虚拟SPI方式读取电流采集模块内的转换值。本单元主要功能为采集瞬时电流值和计算交流电流有效值。 

模拟量调理单元，包括测速传感器、压力传感器和行程传感器，其中测速传感器安装在刮板输送机机尾电机上，用于测量电机转速；压力传感器和行程传感器安装在刮板输送机机尾油缸内，用于测量油缸压力和油缸行程，并通过与液压支架建立通信连接，实时采集采煤机的位置信号；该单元是将采集的转速信号、压力信号、位置信号经过隔离输入保护电路、贝塞尔滤波器、跟随电路、分压电路及限压保护电路处理后与微控制器单元二的12位A/D管脚相连； 

显示单元，包括128*64液晶屏和10寸可触摸彩屏，液晶屏与微控制器单元一的GPIO口相连接，显示压力、行程等传感器测量值及操作动作键，可以显示设定的参数值及相应画面的参数值；可触摸彩屏置于防爆外壳内，通过RS-485通信方式与微控制器单元二相连，可实时显示传感器采集值、油缸动作状态及刮板机型号等信息，并可动态显示油缸运动过程。

通讯单元，由两路RS-485通信电路和1路SPI通信电路组成，其中微控制器单元一与微控制器单元二之间使用SPI方式通信，微控制器单元一与无线测量单元的接收模块使用RS-485方式通信，微控制器单元二与可触摸彩屏使用RS-485通信方式。 

按键单元，为4×8矩阵键盘，其输出与微控制器单元一的GPIO口相连接，对本系统的工作参数进行设置。 

开关量单元，包括采煤机和刮板输送机启动信号、急停按钮信号，急停按钮与微控制器单元一的中断口0相连，其余开关量输入信号与微控制器单元一的GPIO口相连接。 

驱动单元，是将本系统的控制驱动电路与微控制器单元二的GPIO口相连接，通过控制电磁先导阀来对液压系统进行调节，进而调整刮板输送机机尾，使链条始终维持在一个较理想的张紧状态。 

     如图2所示，三相电流互感器将刮板输送机电机中的一次大电流变换为数值较小的二次电流输送给三路相电流调理电路的输入端，交流采样单元主要实现对相电流的信号采集、处理。开关量单元的输入信号包括采煤机启停信号、刮板机电机启停信号、急停信号，采煤机和刮板机的启停信号作为是否对链条进行张紧度控制的先决条件，只有当采煤机和刮板输送机均正常运行时才对刮板输送机的链条张紧度进行控制；急停信号用于终止控制器的输出驱动功能。驱动单元实现对电磁先导阀的控制，通讯单元包括刮板输送机分站与显示单元、接收模块和矿井远程控制中心的通讯，方便矿井远程监控刮板输送机的运行状态。按键单元可以对本系统的工作参数进行设置。 

本发明的具体工作过程如下： 

      （1）上电后，首先进行自检，自检内容包括刮板输送机是否启动、采煤机是否启动、传感器是否连接正常、压力值及位移值是否超出量程等；

      （2）得到允许启动信号后，可选择启动模式：预张紧模式、手动控制模式、自动控制模式；选择相应模式之后，微控制器单元采集各传感器输出的监测数据，并对信号进行放大、滤波、电压保护处理，经A/D接口转换为微控制器单元二可识别的数字信号；微控制器单元二对信号进行判断后对链条断链、卡链状态进行评估，根据评估结果来控制驱动单元动作和判断是否发送报警信号，并显示当前链条及油缸的运行状态。在预张紧模式下，将链条张力调节为空载时的最佳值；在手动模式下，通过手动按钮根据采集的链条相关状态参数进行调节；在自动模式下，微控制器单元把通过传感器、通讯得到的信息融合后，通过执行机构对刮板输送机链条的状态进行自动调整；

      （3）当遇到紧急事件或故障时需要紧急停止时，可通过微控制器单元前面板上的急停按钮进行紧急停止操作，此时微控制器单元控制信号停止输出，不进行任何动作，显示单元显示进入急停状态；当紧急事件或故障消失后，可旋转拔起急停按钮发送解停信号，微控制器单元恢复正常工作状态，同时显示单元显示监测信息。

如图3所示，本发明中，微控制器采用双CPU结构，初级数据处理及综合判断以C8051F020型单片机为核心。该单片机内集成了两个ADC模块，其中ADC0模块为8通道12位A/D转换器，通信接口包括UART0、UART1和SPI。微控制器单元一和微控制器单元二对获取的传感器信息进行采集、调理和融合，根据整定值，运行链条状态调整程序和卡链、断链故障检测程序，对链条的张紧程度进行适时调整。根据无线测量单元监测链条运行状态，并通过软件滤波得到有效监测值，微控制器综合判断后通过驱动单元控制电磁先导阀、液压油缸等执行机构动作，实现对刮板输送机链条运行状态的自动调节。通过电机转速信号和链条张力信号来判断链条的卡链、断链故障，在故障出现后及时关闭驱动单元的输出，防止故障的扩大，微控制器单元二发送故障信号到动力控制开关，同时进行声光报警，实现对刮板输送机的故障保护。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不是对本发明的限定，在本说明书中涉及到其它技术内容以及技术术语应当按照本领域的公知常识和惯用的技术手段理解和实施，也可以通过合理的分析推理设置实施。 

Claims (3)

1.一种刮板输送机链条状态监控及保护系统，其特征在于：包括微控制器单元、无线测量单元、交流采样单元、模拟量调理单元、显示单元、通讯单元、按键单元、开关量单元和驱动单元；

所述微控制器单元采用双CPU结构，用于提高系统控制的实时性；

所述无线测量单元，包括感应测力传感器、信号调理模块、发射模块、接收模块和天线，其中感应测力传感器安装在刮板输送机链条上，用于测量链环的纵向形变，进而得到链条所受的张力；通过该单元将测量的链条张力信息发送至微控制器单元；

所述交流采样单元包括三相电流互感器、相电流调理电路和电流采集模块，该单元输入与三相电流互感器相连接；其中三相电流互感器安装在刮板输送机机尾电机进线处，用于测量电机电流，输出接相电流调理电路；电流采集模块输出接口接微控制器的GPIO口，通过虚拟SPI方式进行电流值的读取； 

所述模拟量调理单元，包括测速传感器、压力传感器和行程传感器，其中测速传感器安装在刮板输送机机尾电机上，用于测量电机转速；压力传感器和行程传感器安装在刮板输送机机尾油缸内，用于测量油缸压力和油缸行程，并通过与液压支架建立通信连接，实时采集采煤机的位置信号；该单元是将采集的信号经过隔离输入保护电路、贝塞尔滤波器、跟随电路、分压电路及限压保护电路处理后与微控制器的A/D管脚相连；

所述显示单元，包括液晶屏和可触摸彩屏，液晶屏与微控制器的GPIO口相连接，可触摸彩屏置于防爆外壳内，通过通信方式与微控制器相连；

所述通讯单元，由两路RS-485通信电路和1路SPI通信电路组成，其中微控制器之间使用SPI方式通信，微控制器与无线测量单元的接收模块使用RS-485方式通信，微控制器与可触摸彩屏使用RS-485通信方式；

所述按键单元，为4×8矩阵键盘，其输出与微控制器的GPIO口相连接，对本系统的工作参数进行设置；

所述开关量单元，包括采煤机和刮板输送机启动信号、急停按钮信号，急停按钮与微控制器的中断口0相连，其余开关量输入信号与微控制器的GPIO口相连接；

所述驱动单元，是将本系统的控制驱动电路与微控制器的GPIO口相连接，通过控制电磁先导阀来对液压系统进行调节，进而调整刮板输送机机尾，使链条始终维持在一个较理想的张紧状态。

2.根据权利要求1所述的刮板输送机链条状态监控及保护系统，其特征在于：所述的微控制器单元包括微控制器单元一和微控制器单元二，其CPU均采用C8051F020型单片机，微控制器单元一负责数据显示、按键输入、开关量输入以及与接收模块和微控制器单元二通信，微控制器单元二负责传感器信号采集、综合判断、输出驱动控制以及与微控制器单元一通信。

3.根据权利要求1所述的刮板输送机链条状态监控及保护系统，其特征在于：所述的显示单元中液晶屏为128*64液晶屏，可触摸彩屏为10寸可触摸彩屏。

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