礦井刮板輸送機監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

劉亞琪

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

煤炭是我國重要能源物資，其安全高效生產(chǎn)關(guān)系到我國能源安全。刮板輸送機作為煤炭機械化、自動化生產(chǎn)的重要組成部分和核心運輸設(shè)備，其安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)至關(guān)重要[1]。然而煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，刮板輸送機功能煩瑣，電氣控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備發(fā)生故障時，如不能及時診斷故障發(fā)生位置，不僅影響刮板輸送機的工作效率，還可能導(dǎo)致整個工作面停產(chǎn)，嚴(yán)重影響煤炭生產(chǎn)。因此，掌握設(shè)備日常運行參數(shù)，對設(shè)備運行狀態(tài)進行檢測，進而完成設(shè)備狀態(tài)評估和故障診斷，具有重要意義[2-3]。

1 刮板輸送機結(jié)構(gòu)組成與作用

以SGZ1250/2565 型刮板輸送機為例，其主要結(jié)構(gòu)組成分別為：液壓裝置、刮板鏈、中部槽、傳動系統(tǒng)等組成，其中電動機、減速器、液力耦合器、鏈輪軸組等為組成各個部分的重要裝置，在各個部件的有機配合下，完成煤炭的運輸工作。同時由于設(shè)備材料、運行環(huán)境和運行時間的限制，可能會產(chǎn)生一些問題，如減速器故障（油溫高、漏油、異常振動）、電動機故障（無法啟動、溫度過高）鏈輪組故障（軸承高溫、鏈輪漏油）、刮板鏈故障（斷鏈、卡鏈）以及電氣控制部分故障等。及時識別和解決以上問題，便于最大限度減少設(shè)備停運時間，從而降低設(shè)備故障影響，減少經(jīng)濟損失[4]。刮板輸送機結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機結(jié)構(gòu)組成

2 檢測及故障診斷系統(tǒng)整體設(shè)計

為實時掌握煤礦井下設(shè)備狀態(tài)變化情況，準(zhǔn)確判斷設(shè)備狀態(tài)并對故障情況進行診斷，設(shè)計如圖2所示的檢測及故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)整體由地面和井下兩部分組成，分別完成故障診斷和數(shù)據(jù)采集功能。其中井下部分主要由控制模塊、傳感模塊和接口電路組成。

圖2 監(jiān)測及診斷系統(tǒng)框圖

傳感模塊主要由轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、油溫傳感器、壓力傳感器和張力傳感器等多種傳感器組成，并通過ZigBee、藍牙、紅外等形式完成數(shù)據(jù)傳輸，同時為實現(xiàn)多個傳感模塊數(shù)據(jù)的快速切換傳輸，需要設(shè)計多通道切換模塊，以完成不同數(shù)據(jù)之間的切換傳輸。控制模塊主要由紅外遙控和本安鍵盤登輸入模塊完成關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置；信號調(diào)理電路、電壓調(diào)理電路、控制器模塊完成對輸入信號的處理、分析；由信號輸出模塊和聲光報警模塊，完成對油溫過高、刮板機卡鏈等異常狀態(tài)的處置工作。接口電路主要完成總線數(shù)據(jù)傳輸，并由CAN、RS485 等總線完成數(shù)據(jù)幀打包，并經(jīng)由礦用路由器，傳輸給以太網(wǎng)，在上位機中完成數(shù)據(jù)讀取，并在分析軟件中編制基于RBF 的故障診斷算法，完成故障診斷和分析。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 控制器及傳感器選型

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，控制模塊控制器采用的是ST 公司生產(chǎn)STM32 單片機STM32F103 系列（見圖3），其特點如下：功耗低，可分為睡眠、停機及待機模式，可在2.0～3.6 V 內(nèi)工作；速度快。最高工作頻率可達72 MHz；內(nèi)部集成有2 個12 位16 通道的高精度A/D 轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換速度快僅用時1 μs，具有雙采樣和保持功能；自帶2 個獨立的和窗口型看門狗定時器（WDT），看門狗功能可保證在芯片燒寫時，由芯片的相應(yīng)配置字決定其打開或關(guān)閉，從而避免軟件出現(xiàn)死循環(huán)。2 個16 位定時器，支持USB2.0、USART、CAN、SPI 等多種通信接口。不需加存儲器，有32 kB 字節(jié)的Flash 程序存儲空間和最多10 kB字節(jié)的RAM 數(shù)據(jù)存儲空間。

圖3 STM32F103 單片機最小系統(tǒng)

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，需對多種參數(shù)進行測量，結(jié)合生產(chǎn)實際，各參量的測量傳感器選型如下：本安溫度傳感器PT100（輸出制式4～20 mA）、霍爾電流傳感器CHB-300S（輸出制式0～150 mA）、液位傳感器CYB31（輸出制式4～20 mA）等。

3.2 多參數(shù)總線傳輸系統(tǒng)及保護

為確保RS485 總線等多路信號快速穩(wěn)定傳輸，減少傳輸帶來的信號衰減，需要使用切換時間較短、導(dǎo)通電阻較小的模擬開關(guān)芯片，其中DG453 便滿足上述要求。DG453 具有4 個獨立的可選的高電壓（44 V）SPST 開關(guān)，分別為兩個常閉和常開開關(guān)，并且每個開關(guān)具有較低的導(dǎo)通阻抗（4 Ω），轉(zhuǎn)換速度快（開通和關(guān)斷速度分別為80 ns 和60 ns），芯片整體功耗?。?8 μW）。

開關(guān)的選通邏輯如下，當(dāng)輸入（IN1、IN4）為高電平時，S1和S4均處于開通狀態(tài)，輸入（IN2、IN3）為低電平時，S2、S3均處于關(guān)斷狀態(tài)。對于多路總線系統(tǒng)來說，通常處于單路選擇狀態(tài)，同時空閑通道接高電位，以防止異常電壓對通信總線影響。

同時考慮到煤礦井下電磁、溫濕度等綜合環(huán)境復(fù)雜，為保證通信數(shù)據(jù)傳輸，需要對通信電路進行保護處理，如圖4 所示。通過在總線兩端并聯(lián)二極管、串聯(lián)保護電阻，保證設(shè)備在過電流或過電壓等異常狀態(tài)下，將通信電路隔離，并保證電路其他部分受到損壞，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖4 多通道切換電路及通信保護電路

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷的算法

為實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)備故障診斷，需要利用多種傳感器的實時參數(shù)進行分析、匯總，其中RBF（Radical Basis Function，徑向基函數(shù)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)BP 后反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用Cover 定理，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題進行解決，通過調(diào)節(jié)輸入層、隱層和輸出層之間的關(guān)系，使其結(jié)構(gòu)更為簡單、訓(xùn)練周期變短，更有利于在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上快速得出設(shè)備狀態(tài)信息，提高故障分析準(zhǔn)確率，其訓(xùn)練過程如圖5 所示。

圖5 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程圖

電壓傳感器、電流傳感器、油位、油溫傳感器等不同位置、不同物理參量的傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)歸一化處理后，由訓(xùn)練完成的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分析，獲得故障診斷結(jié)果，并在軟件進行顯示。

4.2 檢測與故障診斷系統(tǒng)軟件流程

為實現(xiàn)煤礦井下數(shù)據(jù)實時傳遞和快速故障診斷，煤礦井下主站分析單元（礦用路由器控制單元）和分站單元（控制模塊）的數(shù)據(jù)傳輸流程至關(guān)重要。其中，主站分析單元工作時，發(fā)送分站監(jiān)控單元地址、校驗幀、控制參數(shù)等關(guān)鍵字節(jié)信息，若分站數(shù)據(jù)仍未到達則進行等待，否則完成主站單元數(shù)據(jù)更新并通過以太網(wǎng)傳輸、軟件算法配合等，完成故障診斷。數(shù)據(jù)傳輸分站默認進入靜默模式，當(dāng)收到主站發(fā)送的地址幀和校驗幀時，更新控制參數(shù)，并控制傳感器完成多通道數(shù)據(jù)采集，從而完成監(jiān)控、檢測操作，待完成周期采集后，將數(shù)據(jù)打包，并完成監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送，等待主機接收。系統(tǒng)監(jiān)控及分析單元工作流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控及分析單元工作流程

5 結(jié)語

本文通過對刮板輸送機運行環(huán)境和結(jié)構(gòu)組成進行分析，完成地面、井下的雙層檢測和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計，硬件電路方面，完成進行控制系統(tǒng)CPU 選型、傳感器選型和多通道傳感器切換方案設(shè)計；軟件方面，利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成多種故障診斷系統(tǒng)設(shè)計，降低了生產(chǎn)風(fēng)險，減少了故障消除時間，增強了煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。