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）?？撮T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?。?8 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。