刮板輸送設備動力部工況監測及故障報警裝置研究

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煤礦綜采輸送設備智能制造技術國家地方聯合工程實驗室 □渠婷婷 劉宏飛 王金平

山 東 能 源 集 團 有 限 公 司 □亓玉浩

刮板輸送設備動力部工況監測及故障報警裝置研究， 滿足客戶對于刮板輸送設備動力部工況運行參數的在線監測， 包括減速器油溫、 油位、油質、 水溫、 水壓、 水流量、 高低速軸軸承溫度、 電機軸承、 繞組溫度、 軸承振動、 電機轉速等， 實現對刮板運輸設備動力部運行狀態參數的實時監測。 同時， 系統外設聲光報警、 急停閉鎖裝置， 當出現故障時及時報警， 更直觀提醒操作人員， 通過急停閉鎖按鈕緊急停機， 有效的避免事故發生， 滿足煤礦智能化建設要求。 目前刮板機監測系統每個動力部均需要一臺控制器進行數據的接收和顯示， 存在的問題主要包括: 1) 監測數據相對單一; 2) 沒有聲光報警， 顯示報警界面不能有效提醒操作人員， 人機交互效果差;3) 控制器體積大、 重量大， 造成安裝維修耗費大量的人力成本。 為了提升產品競爭力， 迎合市場需求， 滿足智能化礦山建設要求， 本文闡述研發一種新型輸送設備動力部工況監測及故障報警裝置， 擴展監測點位數量， 重新優化設計控制器外觀， 同時減少控制器的體積重量的內容。 采用外設聲光報警、 急停閉鎖裝置， 將故障報警信息第一時間傳遞給工作人員， 及時發現并處理故障并能夠實現本地緊急停機。 本論文所闡述設計的動力部工況監測及故障報警裝置， 很好的解決了目前監測系統存在的問題。

(1) 系統硬件平臺

系統的硬件平臺主要包括: 防爆外殼、 傳感器部分、 數據采集與處理、 隔離模塊部分、 PLC控制部分、 聲光報警、 人機界面、 急停閉鎖裝置等。 原理框圖如圖1 所示:

圖1 系統硬件平臺原理圖

1) 防爆外殼

防爆外殼采用礦用隔爆兼本安型結構設計，隔爆部分采用Q345A 普通碳素結構鋼材料制造而成， 本安部分則采用不銹鋼材料制造。 防爆外殼通過減少板厚和大小， 從而減少該裝置的體積和重量， 大大削減了井下設備安裝維修煤礦工人的工作量。 原來的防爆外殼本安部分與隔爆部分的材質與板厚沒有區別， 增加了控制器的體積和重量， 本文闡述所設計的防爆外殼對結構部分進行了優化， 防爆外殼重量減少52%。

2) 傳感器部分

傳感器主要包括溫度、 壓力、 流量、 振動、頻率、 轉速等傳感器。 這些信號主要包含PT100、 4-20mA， 0-5V、 0-10V 的信號。 溫度傳感器選用PT100 作為測溫元件， 通過外界溫度引起的電阻變化， 信號通過處理器模塊轉換為數字信號對外傳輸， 傳感器量程為(0～200℃)， 用來測試水溫、 軸溫、 油溫等。 壓力傳感器選用壓敏電阻作為測壓元件， 外界壓力引起的壓敏電阻電路中的電流信號通過處理器模塊轉換為數字信號對外傳輸， 傳感器量程為(0～5Mpa)， 用來測試水壓。 流量信號為4～20mA 信號， 用來測試冷卻水流量。 傳感器信號通過工況監測裝置的快插口和喇叭口進線， 接入到數據采集與處理部分。 動力部監測系統通過刮板輸送設備減速器、電機等關鍵零部件內置的傳感器判斷設備的運行狀態， 當實時監測值超過閾值時， 人機界面和語音部分會即時發出報警提示， 提醒工作人員關注設備的運行狀態， 必要時停機檢查。

3) 數據采集與處理部分

數據采集與處理部分是指通過各種傳感器采集和記錄各種模擬量信號、 數字量信號， 并對這些數據進行處理和分析的過程。 傳感器采集到的數據需要進行處理和分析， 以便判斷設備是否存在故障。 本文采用電路板進行數據采集和處理，通過AD 轉換器將傳感器采集到的模擬信號轉換為數字信號， 并存儲到內部存儲器中。 監測裝置還具備對數據進行實時監測和采集的能力， 以確保數據的準確性和及時性。 在數據處理方面， 監測裝置需要具備對采集到的數據進行處理和分析的能力， 這包括對數據進行濾波、 去噪、 校準等處理， 以及對數據進行統計和分析， 提取有用的信息和特征。 同時， 數據采集與處理部分還需要具備數據傳輸的能力， 以便將處理后的數據傳輸到PLC 進行進一步的分析和應用。

4) 隔離模塊部分

由于動力部監測及故障報警裝置為隔爆兼本安結構， 所以需要對隔爆信號與本安信號做隔離。 隔離模塊部分主要分為四部分: 模擬量輸入隔離、 數字量輸入隔離、 數字量輸出隔離、 通訊隔離。 所有隔離模塊都做成獨立的電路板， 方便檢測及更換。 PT100、 4mA～20mA、 0V～5V、 0V～10V這四種模塊量信號、 數字量輸入信號用線性光耦進行隔離; 數字量輸出部分用繼電器隔離; RS485信號用高速光耦進行隔離， 以盡量提高通訊波特率。 RS485 隔離選擇合適的光耦和外圍元件就可以控制波特率在可接受的范圍之內， RS485 隔離電路的難點在于收發的控制及轉換， 在設計過程中要用單片機接收轉發的方式進行隔離。

5) PLC 控制部分+顯示系統

控制部分采用PLC 做邏輯計算、 通訊處理。刮板輸送設備關鍵零部件安裝的傳感器通過快插電纜將信號接入動力部工況監測及故障報警裝置， 數據先進入數據采集與處理部分， 處理為數字量信號后通過以太網方式傳輸給PLC， PLC系統通過CPU 的數據處理后， 然后根據預設的算法進行數據的邏輯分析， 判斷設備是否存在故障。 如果設備存在故障， 則觸發故障診斷與報警模塊進行報警提示， 最后進行顯示、 存儲、 控制等輸出。 顯示系統由觸摸屏完成， 通過對觸摸屏組態編程， 實現數據的動態顯示和報警。 PLC控制部分集成多種通訊協議， 包含Modbus RTU、 Modbus TCP、 TCP/IP、 CAN open 等多種通訊協議。

6) 聲光報警部分

當設備出現故障時， PLC 發送報警提示給聲光報警部分。 本裝置采用LED 燈和語音模塊配合進行報警提示， 當PLC 診斷出設備存在故障時， 會控制LED 燈亮起， 并同時觸發語音模塊傳輸語言信號經揚聲器進行報警。 同時， PLC控制部分還會通過串口將故障信息傳輸到上位機， 以便進行更為詳細的故障診斷和處理。

7) 急停閉鎖裝置

控制器外部設有緊急停機閉鎖裝置， 第一時間將設備故障報警狀態反映給使用操作人員并能夠在本地操作緊急停機。

(2) 系統軟件設計

系統軟件主要包括數據控制、 數據存儲、 數據分析等模塊。

1) 數據控制模塊

系統集成控制算法， 主要功能是實現實時監測、 控制、 邏輯分析。 當系統判斷設備油位過低、 溫度超限、 壓力太大、 鏈條過松， 系統會自動發出預警信號， 提醒操作人員及時進行維護和更換。

2) 數據存儲模塊

數據存儲模塊用于將處理后的數據保存到數據庫中， 以備后續分析和查詢。

3) 數據分析模塊

輸送設備在線故障診斷模塊就是針對成套刮板輸送設備開發的故障診斷分析系統。 該模塊依據設備現有實時監測數據完成相關診斷工作。 數據庫中集成各種機械結構的屬性、 問題產生機理、 解決辦法分類整理， 納入關系型數據庫為數據分析模塊提供依據， 從而找到設備異常的原因所在， 這就大大降低了設備維護的難度， 實現在線監測與故障報警， 提高了設備維護的效率和準確性， 給用戶提供了設備維護建議實現設備的全生命周期管理。

本文主要研究了刮板輸送設備動力部工況監測及故障報警裝置的設計與實現。 通過選擇合適的傳感器、 數據采集與處理、 隔離模塊、 PLC控制、 故障診斷與報警等方面的設計， 能夠有效地監測刮板輸送設備的工作狀態， 并及時報警提示故障， 具有良好的實用性和可靠性。 該裝置能夠提高設備的可靠性和生產效率， 具有廣泛的應用前景。