選煤廠破碎機故障在線監測系統設計

石 磊

(西山煤電集團公司西曲礦選煤廠，山西 古交 030200)

0 引言

煤炭作為我國長期以來消耗占比最多的能源，其生產與處理一直廣受國家與國民的關注。隨著近幾年國家推出一系列環境治理措施后，對煤炭開采后的處理技術要求也越來越高[1-2]。選煤是利用機械加工或物理化學處理方法來清除原煤中雜質的過程，其目的是改善煤的質量，以滿足不同用戶的需求[3]。選煤過程極其復雜，需要用到很多機械設備，其中就包括破碎機[4-5]。破碎機主要是對較大的原煤進行破碎處理，由于其負載很不均勻[6-8]，工況不穩定，設備在運行過程中容易發生故障，導致破碎質量下降或影響選煤過程，降低效率，甚至危及工人的安全；而國內對選煤廠破碎機的故障監測所做的研究不多，研制設計一種監視、檢查破碎機運行狀態監測系統具有一定的必要性。

1 系統總體方案設計

主要對選煤廠廣泛采用的齒輥式破碎機進行設計[9-10]。齒輥式破碎機主要由電機、皮帶、主軸承、從動齒輥和粉碎棒組成。在設備工作時，由電機將轉速與扭矩傳遞給皮帶主動輪，經過皮帶傳動降低轉速，增大扭矩后，傳遞給從動齒輥和粉碎棒，進而對物料進行破碎。綜合分析其工作環境與設備特點，總結出破碎機3種主要故障類型，即電機故障、皮帶故障和主軸承損壞。

破碎機由于其工作時所受負載不均勻，當物料中有矸石時，設備容易受到損壞，而電機故障的主要原因是機箱溫度過高和電壓波動，因此本系統通過采集機箱溫度和電機電壓來判斷電機是否出現故障。皮帶故障的主要原因是設備工作時由于工況惡劣，使皮帶與軸承在高速轉動的情況下磨損嚴重，與各零部件之間的摩擦產生大量熱量，導致皮帶自身性能下降，傳動時皮帶可能發生斷裂，因此，通過采集皮帶的溫度信號與壓力信號判斷皮帶是否出現故障。主軸承損壞將直接導致其在工作時溫度異常升高，所以本系統通過采集其溫度信號判斷主軸承是否損壞。

設計的破碎機故障在線監測系統主要由選煤廠監控中心、監測器和數據采集單元組成。數據采集單元負責采集皮帶的溫度信號與壓力信號，經過監測器處理分析判斷故障類型并將數據與結果通過CAN總線的方式傳輸到監控中心，由工作人員統一調度指揮。系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體框圖

2 系統的硬件設計

2.1 硬件總體方案設計

綜合對比了市面上幾種常見的數字處理器，最終決定選擇DSP芯片作為本系統的核心處理器。該芯片采用流水線處理的方式，可并行執行多個操作，提高了其數字信號實時處理能力。由于近幾年科學技術的飛速發展，各領域對處理器的性能要求越來越高，DSP芯片在工程控制與監測領域和計算機等領域得到了廣泛的應用。破碎機故障在線監測系統的硬件主要組成部分有DSP處理器、通信電路、存儲擴展電路、鍵盤及顯示電路、數據采集電路、電源電路和DSP的外圍電路等。系統的硬件整體設計如圖2所示。

圖2 系統硬件整體設計

2.2 DSP芯片選型

在對DSP芯片選型時，主要考慮了芯片運算速度、芯片內部提供的硬件資源、芯片開發擴展能力。在綜合對比分析TI公司的幾款主流DSP芯片后，最終決定采用型號為TMS320F2812的芯片作為系統的核心處理器。TMS320F2812芯片是一種高性能、低功耗的數字信號處理器，由于其具有較高的性價比，所以迄今為止是在工程控制與監測領域應用范圍最廣的DSP芯片之一。在TMS320C28x系列之上，該芯片的內核擴展集成了大量外設，其處理速度最高可達150 MIPS，在單個指令周期內可以計算一次乘法和加法運算；芯片內部具有12位的AD轉換器；在編程方面，可采用統一匯編語言C/C++進行開發，TI公司為用戶提供了良好的開發環境。

2.3 外圍電路設計

DSP芯片電源電路：TMS320F2812芯片的供電方式相較于其他型號復雜一些，芯片的內核電壓和I/O電壓對電源的要求不同，內核電壓供電電壓需要3.3 V，I/O接口供電電壓需要1.9 V，這樣也有效降低了芯片的能耗。本系統最終采用分別對其供電的方式實現電平的轉換，DSP芯片的電源電路如圖3所示。其中上半部分電路采用TPS75733芯片將+5 V電壓轉換為+3.3 V，向片內一路電源電壓為+3.3 V，為FLASH、ROM存儲器等提供能源；下半部分電路采用TPS76801Q芯片將+5 V電壓轉換為+1.9 V，為I/O接口提供工作電壓。

外部復位電路：由于時鐘頻率較高，DSP系統在工作時可能會受到干擾，所以需要設計一個外部的復位電路，保證系統的可靠性。本系統采用TI公司生產TPS3823-33芯片實現系統的復位功能，除此之外TPS3823-33芯片還可以初始化DSP系統電路，并對其進行定時監測和手動復位。系統的復位電路如圖4所示。

圖3 DSP電源電路

圖4 復位電路示意圖

2.4 通信電路設計

TMS320F2812芯片內部具有CAN控制器，在接入到CAN總線系統時不需要設計底層協議，所以本系統監測器與監控室上位機之間的通信方式選擇為CAN總線。本系統選用TI公司生產的SN65HVD-230收發器作為CAN控制器與物理總線的接口。該收發器是與DSP芯片相配套的CAN總線收發器，與芯片內核相同采用3.3V電壓供電，具有通信距離遠，抗干擾能力強，傳輸信號穩定等的特點。為了降低功耗，收發器具有高性能模式、低功耗模式和休眠模式等3種模式。TMS320F2812芯片內的控制器在使用收發器SN65HVD230的情況下，其傳輸速度最高可達1 Mbit/s。系統的串口通信電路如圖5所示，為了減少長距離傳輸所帶來的干擾，在線路兩端并聯了一個電阻。

圖5 串口通信電路

3 系統軟件設計

本系統可實現破碎機的在線監測功能，軟件的主程序流程圖如圖6所示。首先對系統上電初始化，其中包括時鐘信號，通訊模塊，處理器單元，傳感器的初始化。在初始化結束后系統需要自檢，當自檢出錯時，報錯并調用處理子程序或者人工處理。當系統可以正常工作后，首先調用通訊子程序，可以實時通過CAN總線的方式將監測器的數據與結果傳輸到監控室，然后開始采集數據，包括電機、皮帶和主軸承的工作信號，經過調制解調與數據處理，調用存儲子程序，將數據儲存到存儲器，以作備份，之后將數據與參考值比較，判斷是否故障、故障類型與故障部位，當大于參考值時，系統調用子程序進行報警并通過人機交互界面顯示其詳細信息，必要時進行停機處理。

圖6 系統軟件主程序流程圖

4 結語

國內大多數選煤廠對破碎機故障的判斷來源是人的主觀經驗，對設備缺乏有效監管，不能及時對故障進行維修。本文所設計的破碎機在線監測系統，分析了破碎機容易出現故障的電機、皮帶和主軸承，設立了電壓傳感器和電流傳感器來實現3個零部件的信號采集，經過處理器分析判斷其是否故障和故障類型等。該系統的運用將提供一種客觀的破碎機故障判斷方法，提高故障的處理效率，并對事故的發生起到預警的作用，節約人力成本，保障選煤廠生產效率與工人的人身安全。