煤礦膠帶輸送機監測監控與故障診斷系統設計研究

李淵

山西焦煤西山煤電斜溝礦 山西 興縣 035300

隨著采煤方法及技術的不斷發展，礦用機械設備自動化水平也得到發展。對于礦用膠帶輸送機而言，在長期高載荷、高速度的運行下，設備經常出現跑偏、斷帶、打滑等故障[1-2]。針對此現象，許多學者進行了監測監控系統的設計，從已有研究來看，監測監控系統精度較低，不能實現故障的準確定位且自動化水平較低，在井下惡劣的生產環境中，系統問題較多，且工人維修操作起來困難較大，維修時間過長影響了生產的進行[3-5]。本文對輸送機監測監控系統進行了優化設計，在算法基礎上，實現了故障信息的準確判斷，且在現場調試中取得了成功，值得大力推廣。

1 膠帶輸送機監測監控系統設計

礦用膠帶輸送機是礦井煤炭運輸的重要機械設備，在長期高速承載的運行下，輸送機經常出現跑偏、打滑、撕裂等故障，嚴重影響到生產的進行，為此，對膠帶輸送機監測監控系統進行設計就顯得尤為重要。

因為井下空間有限，開采環境惡劣，對于輸送機監測監控系統的設計必須滿足以下條件:

（1）監測監控系統的設計必須滿足井下惡劣的開采條件，且系統電路需具備一定的防潮、防塵功能。

（2）在系統硬件以及軟件的選擇上，必須具有一定的可靠性，保證電路系統的穩定性。

（3）監測監控系統需具備實時監測和顯示設備運行狀態，且系統的集成度高，便于工作人員操作。

（4）為了便于系統的升級拓展，需提供足夠的接口提高系統的可拓展性。

（5）系統的設計需經濟合理，適應礦井開采條件。

膠帶輸送機監測監控系統的設計分為硬件設計和軟件設計兩部分，硬件設計的核心是監測主機，其負責整個系統數據的監測采集，為了實現系統的穩定性、強大的運算能力及豐富的外界口功能，選用MIO-5250 主板，主板參數如下：采用Inter1NM10處理器，Dual-Core 1.6GHz/1.86 GHz的主頻，4GB的內存，128GB的固態硬盤，12VIA的電源和7W的功耗，主板尺寸為148×101mm。

對于軟件設計，主要是實現各模塊的作用，在硬件主板的基礎上，設計穩定可靠的軟件模塊。本文軟件的設計依賴于LabVIEW 軟件平臺，設計了監測控制的人機界面，通過人機交互界面可以實現對設備運行狀態的監測和調控，提供了自動化水平。

分配方法如下：上位機對于地址排序功能的實現依賴于下位機地址排序，當上位機地址排序按鈕或電路合閘時，下位機執行程序功能。上位機主控界面運行后，發出地址排序命令，管理模塊將地址自動修改為0，修改后地址數據傳送至設備，設備地址、排序命令等信息都在數據中。當設備接收到上級沿線設備的數據后，設備進行數據的分配并對接收數據進行檢驗，如果檢驗通過，數據設備自動修改為1，此后設備數據傳送至下個沿線設備中，直至傳送至終端設備，通過CAN總線在人機界面顯示。

如果數據檢驗失敗，則本機設備向上一級設備反饋錯誤，上級設備需重新進行數據的檢驗然后重新發送數據，共有4次發送數據的機會，如果4次后下級設備數據檢驗依舊錯誤，則表示設備總線發生故障，故障信息將在主機控制的人機界面顯示。

圖1 膠帶輸送機地址自動分配流程圖

對于人機界面的顯示以主控窗口為例，輸送機人機界面顯示窗口的顯示內容如下：

（1）設備運行的狀態主要有檢修控制、集中控制和就地控制三種模式，各個模式下都有相應的參數設置，操作人員只需根據實際狀況進行控制模式的切換，當運行狀態指示燈亮時，輸送機則處于運行狀態。

（2）顯示界面還具有故障復位、集控啟停等按鈕，通過鼠標點擊便可實現相應的功能。

（3）沿線設備的參數、指示燈以及運行過程中電壓等參數都在顯示界面顯示。

（4）膠帶輸送機運行過程中溫度、速度等參數都會實時顯示，對于跑偏等故障也會實時顯示，操作人員可以根據顯示界面顯示的設備運行狀態進行參數等調節。

2 故障診斷方法研究

膠帶輸送機常見的故障主要包括設備的磨損、高溫損壞等，對于故障信息的診斷可通過電流振動信號解決，本文針對相對較為復雜的電流振動信號進行信號濾波、特征提取等操作，實現對故障類型的智能識別。

以礦井膠帶輸送機為例，設備運行過程中軸承轉速達到64r/min，對設備進行數據采集，采集頻率為2000Hz，共采集10000個采樣點。得到圖3中（a）圖所示的波形實測圖，從圖中可以看出，采集到的信號振動復雜，故障特征信號完全融入在波形圖中，因此需要進行降噪處理，得到圖3中（b）圖所示降噪后的波形圖，對于降噪處理，利用EEMD算法將噪音值降低為采集信號值的0.19倍，通過150次的分解，得到15個不同尺度的特征頻率分量，對于特征頻率分量相關系數大于0. 分離降噪信號后的波形圖1的信號進行重構，剩余特征頻率分量重構得到虛擬噪音信號，得到圖3中（c）圖所示的，至此，實現了信號和噪音的分離工作。結合本次信號分析，可得到膠帶輸送機外圈故障的頻率為9.5Hz，內圈故障頻率為12.4Hz，滾動體故障頻率為4Hz。

圖3 時域波形圖

3 調試應用

基于上述膠帶輸送機監測監控系統設計和故障診斷分析，進行了現場調試應用?，F場調試主要針對自動地址排序功能的調試、故障定位功能調試、參數設置功能調試三部分。對于自動地址排序功能的調試，發現運行過程中出現不穩定現象，出現了排序失敗現象，通過檢查發現是RS485通訊程序紊亂造成，設備之間通訊錯誤使得程序發送錯誤，出錯后的程序一直發送導致總線被占，進而出現信息上傳錯誤現象，通過對通訊程序的修改，實現了自動排序功能的穩定運行。

對于故障定位功能的調試，采用閉鎖開關模擬傳感器進行測量，測量頻率范圍為300-1000Hz，測量信號以直流電形式輸出，通過該方法對運行過程中膠帶輸送機的狀態進行監測，通過人機界面上設備故障診斷顯示信息，發現對于故障診斷的定位精確度極高，可靠性高。

對于參數設置功能的調試，主要包括對輸送機參數、配電箱參數的設置，在現場參數設置的過程中，發現回路控制器中的通訊協議不標準，導致參數字節設置有限制，重新調試程序后，參數設置順利完成。

4 結論

本文針對現有礦用膠帶輸送機監測監控系統的不足，進行了監測監控系統的優化設計，此外，在故障診斷方法研究的基礎上，順利得到了膠帶輸送機外圈故障頻率、內圈故障頻率和滾動體故障頻率，通過現象測試調控，實現了自動排序功能的穩定運行和參數的順利設置，運行過程中設備無故障，證明了此次優化方案的成功性。