大型帶式輸送機自動巡檢系統的設計

摘要：針對大型帶式輸送機輸送距離遠、運行環境惡劣等特點，設計一種自動巡檢系統代替定點監測、人工巡檢，監測托輥等部件的振動、溫度、噪聲、煙霧等參數，并通過無線傳輸技術運用故障預測技術預先診斷關鍵部件或子系統的功能狀態。根據診斷和預測信息等對輸送機維修活動做出決策，實現設備的健康管理，提高設備正常運行時間、降低設備維護成本。

關鍵詞：帶式輸送機；巡檢系統；故障診斷

0前言

大型帶式輸送機廣泛地應用在冶金、煤炭、交通、水電、化工等部門，具有輸送量大、結構簡單、維修方便、通用性強等優點，但在運行過程中可能出現跑偏、打滑、撕裂、斷帶、堆料等故障，一旦這些故障沒有及時檢測出來，將會造成經濟損失，甚至導致人員傷亡或設備損壞。因此提高大型帶式輸送機的安全性與可靠性極為重要，運用故障預測技術預先診斷關鍵部件或子系統的功能狀態，并預測其正常工作的時間長度；并根據診斷和預測信息等對輸送機維修活動做出決策。

作為典型的大型機電系統，帶式輸送機包括驅動裝置、拉緊裝置、裝載裝置、機架、托輥、滾筒等部分，其輸送距離可達數千米。因此，通過單一傳感信號無法實現對帶式輸送機運行狀態的采集。為實現對其有效的狀態監測，傳感器需分散布置在各測點采集不同信號（加速度、壓力、溫度等），考慮到輸送機傳輸距離較長，設計使用自動巡檢設備，并通過網絡進行多路傳感信號的遠程傳輸，實現故障診、狀態評估等目的。

1.1巡檢裝置機械傳動部分

現階段國內帶式輸送機主要通過人工定期巡檢的辦法來進行故障的排查。采用人工巡檢時效率低，錯誤率高，一旦出現故障出現而未能監測出將會造成重大事故。因此考慮采用自動巡檢系統來進行多傳感器的信息采集，實現狀態監測與故障診斷工作。

巡檢裝置需要沿輸送機進行往返運動以進行數據采集工作，在故障點須能進行定位，并反饋位置信息。考慮到大型帶輸送機輸送距離遠的特點，應對巡檢裝置進行遠距離傳動，而巡檢裝置本身的供電狀況比較差并要求其質量應盡可能的小，所以動力源應置于裝置外部。整個傳動部分要求簡單高效，故采用了鋼絲繩牽引的方式進行傳動。

工作原理如下：驅動電機1的摩擦輪通過鋼絲繩5與巡檢裝置4連接，巡檢裝置吊在軌道2上，軌道固定在帶式輸送機的一旁，另外應安裝張緊裝置對鋼絲繩進行張緊。

1.2巡檢裝置的驅動系統

對動力源電動機的要求是運行穩定、易于控制、轉速較低即可，因此選用步進電機作為驅動電機。步進電機帶動摩擦輪上的鋼絲繩，之后通過與巡檢艙的連接，驅動巡檢艙，最后通過一個導向輪實現一個閉環。

1.3巡檢裝置的自動控制系統

巡檢艙在監測過程中由上位機的信號控制，并需要實現較為精確的位置控制。具體為通過往復的運動對帶式輸送機的每個托輥進行運行狀態的采集，在每個托輥位置停止運動并能反饋位置信號。

用過光電編碼器即可測得巡檢艙的位置信息，考慮鋼絲繩可能導致的打滑等問題，應設置接近開關在每次往返后進行誤差消除。

選用了步進電機細分驅動器并使用單片機對其進行控制。單片機選用了AVR公司的ATmega16L單片機，使用其輸出脈沖對步進電機進行控制，ATmega16L的快速PWN模式可用來產生高頻的PWM波形。由于步進電機細分驅動器對脈沖寬度沒有要求，因此將快速PWM模式設定為方波輸出，在中斷程序中修改計數器的計數周期就可以實時改變方波輸出頻率。

其系統控制框圖如下，

2巡檢裝置的傳感監測系統

巡檢裝置需要對帶式輸送機可能存在的跑偏、打滑、撕裂、斷帶、火災等故障進行監測并判斷，其內部應裝有振動、溫度、噪聲、煙霧等傳感器。考慮到運行時間長，重復監測檢測次數多等特點，應避免故障診斷及報警過程的過于復雜，故將數據處理過程以及報警過程安排在巡檢裝置內部進行。

為方便數據采集，以及開發的方便，采用成熟的PC/104工控主板。EPC-8900是廣州致遠電子公司開發的基于PXA270處理器的PC/104控制主板，板載兩路隔離CAN總線接口，適用于工業控制現場通訊和控制。該主板具有資源豐富、接口齊全、低功耗、可靠性高等特點。

系統采用PC104數據采集卡，通過PC/104數據/地址線、讀寫控制I/O口已經狀態信號，通過A/D轉換實現數據動態采集、數據緩存及基于PC104接口的數據傳輸功能。

PC104總線是系統主控卡與數據采集卡的連接通道，也是整個系統的結構支撐，在系統中起著重要的作用。多個傳感器通過采集卡將信息采集至工控機，由工控機數據處理系統融合并進行相應特征參數的診斷.同時嵌入式的設計電路還應具備以下功能。

（1） 對數據采集子板及PC104主板供電。一節鋰電池的電壓大約是3.7伏，鎳鎘電池的標稱電壓約為1.3伏，需要將電池串聯構成電源設備，達到5伏、12伏兩組鋰電池獨立供電。也可采用自發電系統系統，可將巡檢艙運行時的機械能轉化為電能并加以利用。通過摩擦輪帶動發電機，通過整流濾波即可向系統供電。

（2） 無線遙控接收芯片。

礦井下工況惡劣，巡檢艙運動僅靠鋼絲繩牽引，且其運行距離遠，用電纜傳輸數據結構復雜且不可靠。采用無線方式傳輸能克服以上缺點，設備簡單且可靠性高。

考慮使用USB無線網卡，用工控機驅動并收發信號，上位機計算接收即可。

系統框圖如下

3系統功能的

此次設計的分布式監測系統包括了巡檢檢測系統、上位計算機、巡檢艙自動控制系統，包括帶式輸送機后其整體是一個典型的機電一體化系統。

巡檢艙可實現對托輥進行聲音監測，利用聲波包絡技術，判別故障。利用紅外測溫技術可監測托輥的溫升，防止托輥卡死、打滑等故障進而導致的火災。

巡檢艙內的工控機對信息進行初步處理，發現有超過閥值應報警并進行進一步分析處理。采用基于信號處理的旋轉部件故障診斷和狀態監測方法，使用多路傳感器信號的融合方法，用于輸送機的故障預測。

基于多傳感器信息融合的故障診斷方法主要包括以下四個方面：1）基于模型的故障診斷技術；2） 基于多變量統計方法；3）基于子空間辨識的故障診斷技術；4）基于人工智能的方法，包括基于專家系統的方法、基于神經網絡的方法、基于模糊推理方法等。在大型機電裝備中，基于單一信號源提取的時、頻特征信息常呈現出較強的模糊性，采用常規信號處理方法難以有效提取故障特征，必須綜合利用多源信息才能得到可靠的檢測結果。因此，從系統的角度運用多傳感器信息綜合處理的信息融合技術逐漸成為大型機電裝備故障診斷研究的發展趨勢。

在計算機上編寫可視化的監測軟件，實時顯示巡檢艙的位置，在故障時報警，并指出相關參數，方便技術人員去現場處理或是進行進一步的故障判斷。

參考文獻：

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作者簡介：

王程，就讀于中國礦業大學機電工程學院 機械工程及自動化專業，本科生。