矿用设备电机运行安全综合监测系统

矿用设备电机运行安全综合监测系统
陈晓勇
【摘要】为了加强在日常安全生产工作中对矿用电机故障的有效排查,避免因设备电机损坏影响生产效率造成的经济损失,从电动机运行中的电压、电流、转速、温度、振动强度等参数进行分析,特设计了一种基于单片机PIC16F877A的电动机运行安全综合监测系统,从而实现矿用设备电机运行安全综合监测,确保通过监测有效地限制设备损坏率和避免故障扩大化,保证整个动力设备的正常运行作业.%In order to strengthen the effective investigation of mine motor faults in routine safety production work, to avoid the economic losses caused by the damage of the equipment motor affecting the production efficiency, the article analyzes from voltage, current, rotation speed, temperature, vibration intensity and other parameters in the motor operation, designs a comprehensive monitoring system for motor operation safety based on the PIC16 F877 A microcontroller to achieve comprehensive monitoring of motor operation safety of mining equipment, to ensure that the equipment is effectively limited by monitoring and the failure is prevented from scaling up, ensuring the normal operation of the entire power equipment.
【期刊名称】《露天采矿技术》
【年(卷),期】2019(034)001
【总页数】4页(P115-117,124)
【关键词】矿用设备;电机;综合监测系统;PIC16F877A
【作者】陈晓勇
【作者单位】神华北电胜利能源有限公司,内蒙古锡林浩特 026015
【正文语种】中文
【中图分类】TD672
0 引言
电机在煤矿安全运行中扮演着非常重要的角色，如果设备的电机出现故障，不仅会影响设备的正常出动率，而且会大大加重维修人员的工作任务量，如果电机出现故障后，驾驶员或者维修人员未能及时发现，则可能造成设备损坏甚至发生重大的机电事故。

1 电机状态监测的重要意义
随着科技的不断进步发展，自动化设备逐渐成为了实现生产管控的主要手段，对于露天煤矿而言，岗位标准化作业流程是设备点检、保养及状态维修的有力管控标准[1-3]。

结合露天煤矿的安全发展形式，对生产装备的自动化技术要求越来越高，与此同时，设备的结构变得更加复杂精密，因此，要求维修人员对设备的维修质量有更为严格的把关，同时也要求维修人员具有超强的专业维修技能，此时，一种好的维修检测手段就显得尤为重要[4-5]。

根据近年来总结的维修方法和经验，胜利露天煤矿将维修模式划分为3大类：①对设备进行定期检修；②结合设备的运行状况进行状态维修；③对不可控故障进行的事后维修。

就这3种维修模式而言，其中状态维修是最为先进、最为科学有效的维修方式，具备较强的合理性。

此种方式主要体现在将日常故障进行统计分析，
根据分析出的结果科学判断，制定有效的检修措施和计划，同时依据现有技术手段进行状态维修，进而从根本上避免同类事故再次发生。

此种检修方式主要是将设备的运行状态作为日常设备维修的标尺，在故障未出现之前采取有效的检测手段对设备各结构件进行检查。

伴着煤矿安全生产和大型采掘设备的技术发展，各种零部件监测方式也需要逐渐更新才能满足科学维修的技术要求。

胜利露天煤矿各种设备尤其是采掘设备长期处于露天采场进行采掘作业，工作环境比较恶劣，而且随着设备投入使用的年限逐渐增长，电机的故障发生率逐渐上升，此时急需一种综合自动化监测系统，提高检测质量和效率，减轻维修人员日常工作量，更为重要的是可以避免故障的扩大化，进而从根本上减少成本投入，减少配件的不必要消耗，同时能够减少非计划性停机，增加作业人员的安全系数，有效避免人员伤害及设备损坏，真正实现降本增效[6-9]。

2 电机状态安全综合监测系统
电机智能监测系统主要由PIC系列单片机、LED显示器、信号传感器以及报警器
等组成。

其控制核心采用8位单片机PIC16F877A，该单片机运用8路10位的内部集成式A/D转换器，因此可以最大化的减少系统外部硬件的使用量，从而减少
了故障环节。

该系统可实现3种基本功能：①可以实现电机的电压或者电流超出
预定范围、电机的不平衡运转、相序缺失以及对温度、转动速度、振动量及强度等有关参数的准确测定；②当电机的各项参数出现偏差时，可以实现报警功能；③可以实现对数据的存储功能。

2.1 系统的工作原理
基于单片机PIC16F877A的监测系统，硬件结构在模块设计上主要由5个模块构成，包括LED显示模块数据采集模块、存储数据参数模块、手动操作模块以及出
现故障时的报警信号模块。

系统的具体工作原理时是将电流及相电压依次与电流互感器、3个整流桥进行连接，经过桥式整理电路和互感器进行信号处理后变为低电
压信号，并将其输送出去，然后逐次通过限幅电路和滤波放大电路进行处理，然后将信号送到单片机的模型量输入端口。

其中方波信号由霍尔传感器处理后输出，其输出的方波信号和电机频率相匹配，通过记录在固定单位时间周期内输出的方波信号数量就能够非常清楚的明确电机的实际转动速度，为了有效避免对单片机造成不必要的损害，通过给霍尔传感器连接一个相配合的光电耦合器，连接到单片机的
T1CKI引脚上。

型号为DS18B20的温度传感器主要是能够输出标准的电流信号，通过连接合适的上拉电阻，连接到单片机上。

震动传感器检测到的信号会通过限幅电路以及滤波放大电路处理后被送往单片机的模拟量输入端口。

上述的各类模拟信号通过单片机的A/D处理后进行存储，最终会通过LED显示出来。

通过处理后的数据与之前的限定值进行对比分析，如果不在限定值的额定范围之内，系统就会出现报警。

系统的结构原理图如图1所示。

图1 系统的结构原理
2.2 系统的特点
综合监测系统由型号为PIC16F877A的微处理器、型号为DS18B20的温度传感器、霍尔速度监测传感器以及振动监测传感器组成。

该监测系统采用模块化、小型化、智能化设计，设计时充分考虑使用新型及功能较强的集成电路芯片。

目的主要是为了让控制系统变得更加简单化，进而提高系统的工作性能。

此次设计的监测系统的另个一优点体现在利用智能单片机作为系统的关键核心部件，所以更加强化了系统的技术手段，提高了检测质量。

该系统不仅可以用在矿用设备上，而且可以在其他大型企业的工业控制以及故障诊断监测中对相关性能进行监测，比如说对电压、电流、速度等物理量进行监测，具有一定的推广应用价值[10-12]。

3 系统的硬件结构
按照实际需求对硬件进行选择，并精心设计系统的电路图，该系统的电路图主要分为电源、单片机部分、数据采集部分和LED显示部分。

3.1 电源模块
监测系统电源设计的实质是为单片机系统提供最为合理的供电电压，尤其在模拟量与数字量进行转换的过程中，必须保证能为转换电路匹配一个即可靠又精密的稳压电源。

本设设计的综合监测系统中芯片所需电源是+5 V，这就要求设计一个由集成型的稳压模块构成的供电电源电路。

在电路设计时利用LM2596稳压块，该稳压块由输入端口、输出端口以及公共端组成，并且要在芯片设计安全保护电路，保护内容包括调整管安全保护以及过流过热保护等。

设计采用由1个AC-DC电源适配器、2个滤波电容和三端LM2596型稳压块以及LED显示器构成电源，输出为5V电源电压，该电路给系统提供稳定的直流电压，集成稳压块把非稳定的直流电压变换成稳定的直流电压。

电源电路原理图如图2所示。

图2 电源电路原理图
3.2 单片机模块
该部分主要由微处理器、复位电路、晶振电路、存储电路、报警电路和键盘组成，本设计选用PIC16F877A作微处理器。

此单片机可靠性高、使用方便，并且内部集成了8路10位A/D转换器。

系统的工作电压为5 V，将工作电压信号接在PIC的32脚和11脚处，将PIC的12脚和31脚作为公共接地端。

该系统的复位功能通过PIC的1脚触发实现。

3.3 数据采集模块
该部分主要采集电动机电压、电流、转速、振动程度和温度数据。

电压数据采集电路由变压器、整流桥、限幅二极管、电压跟随器和滤波电路组成。

380 V的高电压经过变压器后变成低电压，然后通过分压进行处理后接入限幅电路，最后进行滤波后送到单片机的模拟量输入端口。

电流数据采集电路由互感器、整流桥、限幅二极管、电压跟随器和滤波电路组成。

电机的所有类型的电流是通过互感器转换成相应
的电压信号进行输出，然后接入限幅电路，最后进行滤波后送到单片机的模拟量输入端口。

转速数据采集电路由HE-01霍尔转速传感器、限幅二极管、光电耦合器组成。

转速传感器输出和转速高低对应的方波信号，它接限幅二极管后，再接光电耦合器隔离后送单片机模拟量输入端口。

振动数据采集电路主要由ZD24-ZF-2型振动平均振幅变送仪、限幅二极管、滤波电路组成。

振动振幅变送仪输出4～20 mA电流信号，它接限幅二极管后再接滤波电路送单片机模拟量输入端口。

数据采集电路主要由温度传感器DS18B20、限幅二极管和一个上拉电阻组成。

4 电机运行状态监测系统软件
对系统的硬件电路设计完成后，系统的主要功能需要通过软件设计来实现。

该系统使用汇编语言对软件的程序进行设计，矿用设备电机安全运行监测系统的控制程序主要作用是进行数据的采集、数据处理、数据存储、数据显示、报警和通信。

主程序流程图如图3所示。

图3 总程序流程图
5 结语
电机状态监测系统实现了多种功能，包括电机的电压或者电流超出预定范围、电机的不平衡运转、相序缺失以及对温度、转动速度、振动量及强度等有关参数的准确测定。

实现报警功能和存储功能。

该系统为露天煤矿各种设备电机科学维修提供有力的监测手段，不仅降低了设备的故障率，减轻了维修技术人员的工作强度，同时也避免了因人员检查不到位造成的故障扩大化，从根本上保障了露天采场各类设备的安全稳定运行。

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