刮板輸送機檢測及故障診斷系統設計

夏瑞凱

（晉能控股煤業集團和創實業發展有限公司，山西 大同 037003）

引言

刮板輸送機作為煤炭機械化、自動化生產的重要組成部分和核心運輸設備，其安全穩定運轉至關重要[1]。然而煤礦井下生產環境復雜，刮板輸送機功能繁瑣、電氣控制結構復雜等眾多因素，都造成設備發生故障時，如不能及時診斷故障發生位置，不僅影響刮板輸送機的工作效率，還可能導致整個工作面停產，嚴重影響煤炭生產。因此，掌握設備日常運行參數、對設備運行狀態進行檢測，進而完成設備狀態評估和故障診斷，具有重要意義[2-3]。

1 煤炭生產與刮板輸送機作用

以SGZ1250/2565 型刮板輸送機為例，其主要結構組成分別為：液壓裝置、刮板鏈、中部槽、傳動系統等組成，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，如圖1 所示，在各個部件的有機配合下，完成煤炭的運輸工作。同時由于設備材料、運行環境和運行時間的限制，可能會產生以下問題，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備停運時間，從而降低設備故障影響，減少經濟損失[4-5]。

圖1 刮板輸送機結構組成

2 檢測及故障診斷系統整體設計

為實時掌握煤礦井下設備狀態變化情況，準確判斷設備狀態并對故障情況進行診斷，設計如圖2所示的檢測及故障診斷系統。系統整體由地面和井下兩部分組成，分別完成故障診斷和數據采集功能。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 監測及診斷系統框圖

傳感模塊主要由轉速傳感器、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、藍牙等形式完成數據傳輸，同時為實現多個傳感模塊數據的快速切換傳輸，需要設計多通道切換模塊，以完成不同數據之間的切換傳輸[6]。控制模塊主要由輸入控制模塊完成輸入參數的設置；信號調理電路、電壓調理電路、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的處置工作。接口電路主要完成總線數據傳輸，并由CAN、RS485 等總線完成數據幀打包，并經由礦用路由器，傳輸給以太網，在上位機中完成數據讀取，并在KingView 軟件中編制故障診斷算法，完成故障診斷和分析[7]。

3 系統硬件電路設計

3.1 控制器及傳感器選型

為確保系統安全穩定運行，控制模塊控制器采用的是美國Microchip 公司生產PIC 單片機PIC16F877A，其特點如下：功耗低。其靜態電流一般是2 mA，睡眠狀態下可以小于1μA，損耗較小；工作電壓區間寬，可在2.0～5.5 V 內工作；速度快。最高工作頻率可達20 Hz，每個指令周期僅有200 ns；內部集成有10 位8 通道的高精度A/D 轉換模塊，并且集成片內基準電壓，也可選擇外部的基準電壓，當模擬端口不用時，可將其作為普通數字I/O 口；集成兩個CCP 模塊，可配置為Capture（捕捉）、Compare（比較）、PWM（脈寬調制）中任一種模式，亦可進行獨立編程；自帶獨立的看門狗定時器（WDT）。看門狗功能可保證在芯片燒寫時由芯片的相應配置字決定其打開或關閉，從而避免軟件出現死循環；不需加存儲器。有8 kB 的Flash 程序存儲空間、256 B 的EEP 數據存儲空間和368 B的RAM 數據存儲空間[8]。

煤礦井下環境復雜，需要對多種參數進行測量，結合生產實際，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）、位置傳感器（霍爾傳感器）。

3.2 多參數總線傳輸系統及保護

為確保RS485 總線等多路信號快速穩定傳輸，減少傳輸帶來的信號衰減，需要使用切換時間較短、導通電阻較小的模擬開關芯片，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，分別為兩個常閉和常開開關，并且每個開關具有較低的導通阻抗（4Ω），轉換速度快（開通和關斷速度分別為80 ns 和60 ns），芯片整體功耗小（18 μW）。

開關的選通邏輯如下，當輸入（IN1、IN4）為高電平時，S1和S4均處于開通狀態，輸入（IN2、IN3）為低電平時，S2、S3均處于關斷狀態。對于多路總線系統來說，通常處于單路選擇狀態，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、溫濕度等綜合環境復雜，為保證通信數據傳輸，需要對通信電路進行保護處理，如圖3 所示。通過在總線兩端并聯二極管、串聯保護電阻，保證設備在過電流或過電壓等異常狀態下，將通信電路隔離，并保證電路其他部分不受到損壞，提高系統穩定性[9]。

圖3 多通道切換電路及通信保護電路

4 軟件系統設計

4.1 基于D-S 組合的故障診斷的算法

為實現復雜環境下的設備故障診斷，需要利用多種傳感器的實時參數進行分析、匯總，其中D-S理論通過建立命題與集合之間的對應關系，利用集合的不確定性問題解決命題的不確定性問題。

轉速傳感器、溫度傳感器等不同位置、不同物理參量的傳感器經過預處理器計算完成基本概率賦值函數、信度函數和似然函數等重要參量計算，獲得最優決策（故障原因）[10]。

4.2 檢測與故障診斷系統軟件流程

為實現煤礦井下數據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）的數據傳輸流程至關重要。其中，主站分析單元工作時，發送分站監控單元地址、校驗幀、控制參數等關鍵字節信息，若分站數據仍未到達則進行等待，否則完成主站單元數據更新并通過以太網傳輸、軟件算法配合等，完成故障診斷。數據傳輸分站默認進入靜默模式，當收到主站發送的地址幀和校驗幀時，更新控制參數，并控制傳感器完成多通道數據采集，從而完成監控、檢測操作，待完成周期采集后，將數據打包，并完成監控數據發送，等待主機接收。系統監控及分析單元工作流程如圖4 所示。

圖4 系統監控及分析單元工作流程

5 結語

通過對刮板輸送機運行環境和結構組成進行分析，完成了地面、井下的雙層檢測和故障診斷系統設計。硬件電路方面，完成進行控制系統CPU 選型、傳感器選型和多通道傳感器切換方案設計；軟件方面，利用D-S 系統基本理論，完成多種故障診斷系統設計，降低了生產風險，減少了故障消除時間，增強了煤炭生產系統的安全性和穩定性。