礦用帶式輸送機運行狀態監測系統的設計

馮　亮

(潞安集團 余吾煤業有限公司,山西 長治 046100)

長距離帶式輸送系統是由多段膠帶輸送機連接而成,在輸送機運行狀態下,輸送帶經常性產生跑偏、堆料、打滑、撕裂、堵塞等諸多故障現象[1-2],沿線分布的各類保護裝置會對出現的故障進行保護。目前,各類故障保護裝置多數采用開關節點輸出,不具備位置識別功能,如果出現故障,查找準確位置將耗費較多時間,降低生產效率。本監測系統能夠更加精準地監測到膠帶的跑偏問題,工人可及時發現并處理問題,節約時間并且避免造成重大經濟損失[3]。

1　帶式輸送機跑偏原理

帶式輸送機正常運行時,其傳遞動力由驅動滾筒同輸送帶之間摩擦力提供,由歐拉公式——撓性摩擦體傳動可知,輸送帶在整個圍包弧上置于極限狀態情況下,相遇點最大張力Sym同分離點的張力Sl,之間關系可表示為:

Sym=Sl·ef·αm.

(1)

式中:f為摩擦系數;αm為圍包角,(°);Sl為分離點的張力,N。

如要保證輸送帶不打滑,那么相遇點處張力應符合公式(2):

Sy=Sl·ef·α≤Sym.

α≤αm.

(2)

式中:α為利用弧對應之圓心角,(°)。

由于存在各種因素干擾,在實際工作中,α、Sl一般都隨著距輸送帶一側距離x的變化而變化,靠近點張力如下:

Sy(x)=Sl(x)·ef·α(x).

(3)

以托輥舉例,理想狀態下:假定輸送帶質地均勻、外形連續,而且材料特性各向同性,令其剛度系數為k。那么,托輥兩側的張力差S(x)與變形量y(x)可表示為:

S(x)=Sl(x)[ef·α(x)-1].

(4)

y(x)=S(x)/k=Sl(x)[ef·α(x)]/k.

(5)

式中:k為輸送帶的剛度系數。

現在討論距輸送帶一側為x、寬度為dx的微元輸送帶的受力與變形情況，見圖1。就微元段而言,兩端的變形增量差可由下式微分得出:

dy=Adx.

(6)

(7)

圖1　微元受力與變形情況圖Fig.1　Force and deformation of microelement

由假設可知,微段dx在l方向上被拉長,相應增量設為dl,那么,由于伸長而引起的力dF分別可表示為:

dl=B·dx.

(8)

dF=kdl=kBdx.

(9)

dF在托輥寬度方向上的分量可由公式(9)并結合微元受力圖1和公式(8)求出:

(10)

對公式(9)在托輥寬度方向上進行積分,便可求出膠帶跑偏的力Fx,方向指向張力大的一側:

(11)

式中:b為寬度方向上變量。

綜上可知,輸送帶跑偏的本質原因為輸送帶所受的合力,方向偏離中心線的方向,即輸送帶張力中心線偏離其幾何中心線,由于輸送帶受到一個側向力,當三聯托輥中的兩側托輥在輸送帶上的作用力不等時即出現輸送帶跑偏[4]。

以上便是主要跑偏原因,同時還有驅動滾筒與非驅動滾筒的平行度不夠,輸送帶的張緊力不足而使輸送帶過松,機架的安裝強度不足而使運行時機架不穩等原因也會造成帶式輸送機跑偏。

2　系統總體設計方案

考慮煤礦企業特殊條件,基于現有的帶式輸送機監控系統信號傳輸方式,結合當下流行的工業CAN總線通信系統的模式,從三個方面設計網絡監控系統。上層為用于監控的現場上位機,安裝于工控PC機中,中間層為系統的通信協議與硬件設備,下層為下位機,即實際進行故障檢測與實現控制功能的多種傳感器;各監測點采用獨立的下位機進行監控,所有現場信號(跑偏、堆料、打滑、撕裂等)直接集中進入數據系統,進而匯集到上位機,上位機對信號進行分析處理,將結果顯示在其人機交互界面,且上位機和下位機互為復核。如發生故障,顯示故障類型與位置,并給出故障提示,系統可通過自帶的繼電器控制系統停止運行,也可將信息送給上位機進行集中控制。系統內輸送機保護開關監測點由一臺上位機進行管理,任何一個保護開關動作,其信息都會記錄在上位機內。由于系統采用的CAN總線為開放的互聯系統,并且設置了中繼放大器,當輸送機數量多于3條時,系統仍然使用,且性能穩定可靠。

3　硬件設計與軟件設計

3.1　硬件設計

本設計中,下位機微處理器經過多方比較,選擇STM32F105芯片,此為ST公司專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核,且自帶2個CAN控制器,使電路結構簡單化。

CAN控制器是CAN局域網控制器的簡稱,為解決現代汽車中眾多測量控制部件之間的數據交換而開發的一種串行數據通信總線[5]。CAN最高可提供1 Mbit/s的波特率,較容易實現實時控制。此外,硬件的錯誤鑒定特性也增加了CAN通信的抗電磁干擾能力。

STM21F105內含備用電源Vbat,在主電源失效后起作用,為實時時鐘RTC、后備寄存器組和振蕩器提供不間斷電源。

3.2　軟件設計

本設計綜合比較了C語言、匯編語言、PL/M編程語言、BASIC編程語言,經比較分析四種語言優劣勢后認為,C語言作為一種非常方便的編程語言,程序本身不依附于下位機硬件系統[6],基本上不做刪改就可根據單片機的不同較快地進行移植,故選擇C語言進行編程。開發環境采用Keil公司開發的Keil C51軟件。跑偏故障監控軟件程序框圖,見圖2。

圖2　跑偏故障監控軟件程序框圖Fig.2　Flow diagram of monitoring software for running deviation

關于打滑及撕裂故障的監控軟件,其設計原理與跑偏故障的監控及處理方式大致相同。

4　上位機設計

組態王作為一種主流應用軟件,有較友好的人機界面,為用戶提供了海量的設計工具、便利的集成開發環境。本系統上位機是基于組態王二次開發而來,具有界面顯示、數據采集、系統控制、自動報警、存儲和查詢、用戶管理等功能,軟件系統功能框圖見圖3。

圖3　軟件系統功能框圖Fig.3　Software system functional diagram

遠程控制系統是監控系統的核心部分。管理人員通過監控系統發出控制命令,實現隨輸送系統的遠程控制。主要有:①控制帶式輸送機電機的啟停；②調節帶式輸送機運行速度,控制輸送量的大??；③識別膠帶跑偏點,進行故障定位并且根據跑偏量進行一定操作。

5　結束語

以帶式輸送機監控系統為重點,根據輸送機的實際運行情況,技術要求以及主要故障分析,設計了以CAN總線為基礎的通信網絡和功能性的上位機監控畫面。有效地對帶式輸送機中的運行狀態進行顯示和顯控,對所有正在或已經發生故障的情況,進行有效分析處理,并可實現故障點的精準定位,對煤礦高效、安全生產有一定實際意義。