礦用帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃 玨

（安徽礦安檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，合肥 230088）

帶式輸送機(jī)因其輸送距離長(zhǎng)、輸送量大、連續(xù)性好以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在絕大多數(shù)煤礦承擔(dān)著主要原煤運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，帶式輸送機(jī)不僅結(jié)構(gòu)更加合理，而且逐漸向著大型化、長(zhǎng)距離、高可靠性和高穩(wěn)定性趨勢(shì)發(fā)展[1]。在帶式輸送機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于它屬于摩擦力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，與物料、托輥和滾筒之間的摩擦?xí)斐善У哪p導(dǎo)致影響實(shí)際使用效果[2]。由于帶式輸送機(jī)長(zhǎng)期處于潮濕、多塵的惡劣環(huán)境，不可避免會(huì)造成一定的機(jī)械故障。運(yùn)輸過(guò)程中，煤炭分布不均有時(shí)會(huì)出現(xiàn)皮帶跑偏現(xiàn)象；運(yùn)行過(guò)程中，帶式輸送機(jī)上方的錨桿等裝置有時(shí)會(huì)掉落，造成帶式輸送機(jī)的皮帶發(fā)生撕裂或斷帶現(xiàn)象；由于張緊力異常偏小，在重載啟動(dòng)條件下會(huì)出現(xiàn)張緊裝置故障，嚴(yán)重影響企業(yè)的設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全生產(chǎn)[3]。針對(duì)帶式輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的故障，目前除了人工巡檢以外，也有已廣泛應(yīng)用的狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)故障的監(jiān)測(cè)與報(bào)警。但是，各子系統(tǒng)缺乏有效聯(lián)系和傳感器布設(shè)的限制，無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行故障診斷找到問(wèn)題所在，增加了設(shè)備的維修時(shí)間，影響了煤礦生產(chǎn)的效率?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一套狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化和智能化帶式輸送機(jī)管理具有一定的意義。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

由于煤礦井下復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，在設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)時(shí)需要使其具備防爆、防潮和防塵的能力。由于煤礦井下的開(kāi)采過(guò)程是連續(xù)運(yùn)行的，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。為了結(jié)合今后信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要留有升級(jí)接口，保證能夠及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)更新。經(jīng)過(guò)綜合考慮，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用集中-分布式結(jié)構(gòu)，主要由主控制器和輔助設(shè)備組成。主控制器主要是由控制器、報(bào)警模塊、管理模塊以及多個(gè)配電控制裝置組成，安裝在高壓開(kāi)關(guān)防爆配電柜內(nèi)。輔助設(shè)備主要有沿線急停裝置、擴(kuò)音電話、本安攝像頭以及相關(guān)參數(shù)的信號(hào)采集器組成。工控機(jī)通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線實(shí)現(xiàn)與其他各模塊的連接。各模塊之間利用MODBUS-RTU協(xié)議與其他各單元回路之間實(shí)現(xiàn)通信。其他輔助信號(hào)采集主要是針對(duì)溫度、帶速、轉(zhuǎn)速、壓力、電流和煙霧等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。對(duì)采集到的信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，同時(shí)結(jié)合帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分析，最終輸出故障診斷結(jié)果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的使用環(huán)境和使用要求進(jìn)行綜合考量，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)主機(jī)選用MIO-5250主板，CPU選用STM32F107RCT6芯片，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)上選用本安型攝像機(jī)。傳感器的相關(guān)選擇如表1所示。實(shí)際應(yīng)用中，可針對(duì)不同使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

表1 傳感器型號(hào)選擇

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

工控機(jī)通過(guò)CAN通信電路與I/O模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、張緊系統(tǒng)以及抱閘電機(jī)等的主動(dòng)控制。I/O模塊通過(guò)各回路中的傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集和實(shí)現(xiàn)對(duì)各回路開(kāi)關(guān)的控制，結(jié)構(gòu)如圖2所示。帶式輸送機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常長(zhǎng)距離鋪設(shè)，要在整條設(shè)備沿線上按需設(shè)置一定的設(shè)備信息管理和信息傳輸裝置，同時(shí)要能夠及時(shí)將信號(hào)傳遞到總控室。

2.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)控制芯片獲取信號(hào)，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路主要分為頻率量、電流量以及開(kāi)關(guān)量3部分。頻率量調(diào)理電路主要是針對(duì)速度、溫度以及張力等物理信號(hào)的傳感器進(jìn)行頻率量的調(diào)理，電路圖如圖3（a）所示。電流量調(diào)理電路針對(duì)電流和振動(dòng)傳感器的電信號(hào)進(jìn)行電流量的調(diào)理，電路圖如圖3（b）所示。開(kāi)關(guān)量調(diào)理電路主要是針對(duì)堆煤、跑偏以及煙霧傳感器的開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，電路圖如圖3（c）所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程是通過(guò)各傳感器采集實(shí)時(shí)信號(hào)輸送至控制器，控制器收到信號(hào)后進(jìn)行分析，將結(jié)果傳遞至人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)疑似故障時(shí)，異常參數(shù)傳遞至控制器?？刂破鞣治龊?，通過(guò)CAN總線傳遞至上位機(jī)，依靠故障診斷功能識(shí)別并確定故障類型，并自動(dòng)顯示相應(yīng)的報(bào)警狀態(tài)和故障發(fā)生位置。

4 故障診斷功能設(shè)計(jì)

故障診斷的作用是查明帶式輸送機(jī)功能失效的原因，確定故障發(fā)生位置，給出解決方案。設(shè)計(jì)思路是將異常數(shù)據(jù)從獲取的信號(hào)中分離出來(lái)，結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，完成故障識(shí)別，實(shí)施緊急停機(jī)等措施，給出維修處理方案。

圖2 I/O模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

帶式輸送機(jī)的常見(jiàn)故障有機(jī)架變形、堆料、皮帶打滑、皮帶撕裂、皮帶跑偏、皮帶斷帶、皮帶起火、托輥故障、電機(jī)故障及軸承故障等[4]。部分故障識(shí)別處理設(shè)計(jì)如下。

4.1 皮帶斷帶識(shí)別

檢測(cè)到設(shè)置在皮帶不同位置的速度傳感器給出的部分帶速大幅降低和帶速不等信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)到張緊拉力明顯下降信號(hào)時(shí)，結(jié)合皮帶運(yùn)行方向邏輯判斷，識(shí)別出皮帶發(fā)生斷帶，自動(dòng)使本部帶式輸送機(jī)停機(jī)，同時(shí)停止上游輸送機(jī)，延時(shí)停止下游輸送機(jī)[5]。

4.2 皮帶撕裂識(shí)別

檢測(cè)到防縱撕開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變或檢測(cè)到緩沖托輥壓力超限并持續(xù)一段時(shí)間時(shí)，表明在皮帶被異物劃透前，緩沖托輥會(huì)承受一個(gè)較大的壓力并至少持續(xù)300 ms，識(shí)別出皮帶發(fā)生撕裂。

4.3 火災(zāi)識(shí)別

火災(zāi)發(fā)生前一般會(huì)有煙霧產(chǎn)生和溫度升高現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，部分鋼絲繩芯阻燃輸送帶溫度升至約260 ℃會(huì)冒煙，溫度升至320 ℃會(huì)著火，同時(shí)伴隨產(chǎn)生大量一氧化碳?xì)怏w。當(dāng)檢測(cè)到煙霧、溫度和一氧化碳傳感器異常信號(hào)時(shí)，識(shí)別出發(fā)生火災(zāi)，自動(dòng)灑水并停機(jī)。

4.4 皮帶打滑識(shí)別

檢測(cè)到皮帶帶速與滾筒線速度不同步，同時(shí)檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)滾筒表面溫度傳感器異常升高信號(hào)時(shí)，需結(jié)合張緊拉力改變情況進(jìn)行綜合判定，識(shí)別出皮帶發(fā)生打滑。

5 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)作為煤礦開(kāi)采設(shè)備中的重要一環(huán)，承擔(dān)著井下煤炭的主要運(yùn)輸任務(wù)。本文在帶式輸送機(jī)現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)的故障診斷模塊。通過(guò)對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，有助于帶式輸送機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高帶式輸送機(jī)自動(dòng)化和智能化管理水平，減少維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高煤礦運(yùn)輸效率。