礦用帶式輸送機狀態監測及故障診斷系統設計研究

黃 玨

（安徽礦安檢測技術服務有限公司，合肥 230088）

帶式輸送機因其輸送距離長、輸送量大、連續性好以及自動化程度高等優點，在絕大多數煤礦承擔著主要原煤運輸的任務。隨著科技的不斷進步，帶式輸送機不僅結構更加合理，而且逐漸向著大型化、長距離、高可靠性和高穩定性趨勢發展[1]。在帶式輸送機長期運行過程中，由于它屬于摩擦力驅動的設備，與物料、托輥和滾筒之間的摩擦會造成皮帶的磨損導致影響實際使用效果[2]。由于帶式輸送機長期處于潮濕、多塵的惡劣環境，不可避免會造成一定的機械故障。運輸過程中，煤炭分布不均有時會出現皮帶跑偏現象；運行過程中，帶式輸送機上方的錨桿等裝置有時會掉落，造成帶式輸送機的皮帶發生撕裂或斷帶現象；由于張緊力異常偏小，在重載啟動條件下會出現張緊裝置故障，嚴重影響企業的設備正常運轉和安全生產[3]。針對帶式輸送機經常出現的故障，目前除了人工巡檢以外，也有已廣泛應用的狀態檢測系統，可以實現對常見故障的監測與報警。但是，各子系統缺乏有效聯系和傳感器布設的限制，無法準確地對帶式輸送機進行故障診斷找到問題所在，增加了設備的維修時間，影響了煤礦生產的效率。基于此，本文設計了一套狀態監測和故障診斷系統，對實現系統化和智能化帶式輸送機管理具有一定的意義。

1 系統的總體方案設計

由于煤礦井下復雜的作業環境，在設計帶式輸送機狀態監測和故障診斷系統時需要使其具備防爆、防潮和防塵的能力。由于煤礦井下的開采過程是連續運行的，狀態監測和故障診斷系統需要能夠實現較長時間的穩定可靠運行。為了結合今后信息技術的不斷進步，在設計過程中還需要留有升級接口，保證能夠及時進行系統更新。經過綜合考慮，在系統設計上采用集中-分布式結構，主要由主控制器和輔助設備組成。主控制器主要是由控制器、報警模塊、管理模塊以及多個配電控制裝置組成，安裝在高壓開關防爆配電柜內。輔助設備主要有沿線急停裝置、擴音電話、本安攝像頭以及相關參數的信號采集器組成。工控機通過控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線實現與其他各模塊的連接。各模塊之間利用MODBUS-RTU協議與其他各單元回路之間實現通信。其他輔助信號采集主要是針對溫度、帶速、轉速、壓力、電流和煙霧等進行監測，實現信號的采集。對采集到的信號和數據進行系統分析，同時結合帶式輸送機的運行狀態分析，最終輸出故障診斷結果。系統結構圖如圖1所示。

圖1 帶式輸送機狀態檢測和故障診斷系統結構圖

2 系統的硬件設計

通過對狀態監測和故障診斷系統的使用環境和使用要求進行綜合考量，該系統的監測主機選用MIO-5250主板，CPU選用STM32F107RCT6芯片，在現場監測上選用本安型攝像機。傳感器的相關選擇如表1所示。實際應用中，可針對不同使用環境進行調整。

表1 傳感器型號選擇

2.1 主控模塊設計

工控機通過CAN通信電路與I/O模塊進行通信，實現對驅動電機、張緊系統以及抱閘電機等的主動控制。I/O模塊通過各回路中的傳感器進行信號的采集和實現對各回路開關的控制，結構如圖2所示。帶式輸送機在實際應用中經常長距離鋪設，要在整條設備沿線上按需設置一定的設備信息管理和信息傳輸裝置，同時要能夠及時將信號傳遞到總控室。

2.2 信號采集電路設計

為了實現控制芯片獲取信號，設計了信號調理電路。信號調理電路主要分為頻率量、電流量以及開關量3部分。頻率量調理電路主要是針對速度、溫度以及張力等物理信號的傳感器進行頻率量的調理，電路圖如圖3（a）所示。電流量調理電路針對電流和振動傳感器的電信號進行電流量的調理，電路圖如圖3（b）所示。開關量調理電路主要是針對堆煤、跑偏以及煙霧傳感器的開關量信號進行調理，電路圖如圖3（c）所示。

3 系統的軟件設計

系統的運行過程是通過各傳感器采集實時信號輸送至控制器，控制器收到信號后進行分析，將結果傳遞至人機交互界面實時顯示數據，以實現對帶式輸送機運行狀態和周圍環境的監測。當出現疑似故障時，異常參數傳遞至控制器?？刂破鞣治龊?，通過CAN總線傳遞至上位機，依靠故障診斷功能識別并確定故障類型，并自動顯示相應的報警狀態和故障發生位置。

4 故障診斷功能設計

故障診斷的作用是查明帶式輸送機功能失效的原因，確定故障發生位置，給出解決方案。設計思路是將異常數據從獲取的信號中分離出來，結合設備的運行狀態參數進行分析，完成故障識別，實施緊急停機等措施，給出維修處理方案。

圖2 I/O模塊硬件結構圖

圖3 信號調理電路

帶式輸送機的常見故障有機架變形、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、電機故障及軸承故障等[4]。部分故障識別處理設計如下。

4.1 皮帶斷帶識別

檢測到設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，同時檢測到張緊拉力明顯下降信號時，結合皮帶運行方向邏輯判斷，識別出皮帶發生斷帶，自動使本部帶式輸送機停機，同時停止上游輸送機，延時停止下游輸送機[5]。

4.2 皮帶撕裂識別

檢測到防縱撕開關狀態改變或檢測到緩沖托輥壓力超限并持續一段時間時，表明在皮帶被異物劃透前，緩沖托輥會承受一個較大的壓力并至少持續300 ms，識別出皮帶發生撕裂。

4.3 火災識別

火災發生前一般會有煙霧產生和溫度升高現象。試驗表明，部分鋼絲繩芯阻燃輸送帶溫度升至約260 ℃會冒煙，溫度升至320 ℃會著火，同時伴隨產生大量一氧化碳氣體。當檢測到煙霧、溫度和一氧化碳傳感器異常信號時，識別出發生火災，自動灑水并停機。

4.4 皮帶打滑識別

檢測到皮帶帶速與滾筒線速度不同步，同時檢測到驅動滾筒表面溫度傳感器異常升高信號時，需結合張緊拉力改變情況進行綜合判定，識別出皮帶發生打滑。

5 結語

帶式輸送機作為煤礦開采設備中的重要一環，承擔著井下煤炭的主要運輸任務。本文在帶式輸送機現有狀態監測系統的基礎上，設計了帶式輸送機的故障診斷模塊。通過對狀態監測和故障診斷系統的硬件和軟件進行設計，有助于帶式輸送機高效穩定運行，提高帶式輸送機自動化和智能化管理水平，減少維修人員勞動強度，提高煤礦運輸效率。