智能化膠帶輸送機綜合實時監測平臺設計

謝厚正，李飛，胡修慧，亓宏文，臧曉云

（1.泰安市工業經濟發展服務中心；2.泰山智能制造產業研究院，山東 泰安 271000）

鋼繩芯膠帶輸送機是煤礦普遍使用的一種重型運輸設備，是煤礦井下生產運輸和自動輸送裝車的核心設備，其運行狀況直接影響煤礦的生產效率和安全系數。鋼繩芯膠帶輸送機接頭斷裂、縱向撕裂和起火事故時有發生，至今仍然沒有較為可靠的綜合監測系統，因而加強對鋼繩芯膠帶故障的在線監測方法和技術的研究勢在必行。

1 鋼繩芯膠帶輸送機故障類型

根據調查問卷顯示，鋼繩芯膠帶輸送機的主要故障為接頭斷裂、縱向撕裂、膠帶起火，這3中類型的故障占到所有故障的2/3。

由于接頭是易受損傷部件，導致鋼繩芯膠帶橫向斷裂幾乎無一例外都發生在接頭位置，主要是因為硫化接頭的強度保持率不夠。

縱向撕裂是由于一些棒料物插入輸送帶，大塊長形矸石掉在輸送帶上，機架某些固定部位劃傷或掛住膠帶，鐵絲鉤住輸送帶等，就將造成重大的經濟損失，因此，國內出現了不少監測方法和裝置。概括起來主要分為發生撕裂后輸送帶外部和內部參數特性變化兩類監測方式。其中，外部監測方法包括棒型監測器、弦線式監測裝置、擺動托輥監測器、漏料監測裝置。內部監測方法包括振動傳感監測器、膠帶內部埋嵌導體的監控、超聲波監測系統等。

膠帶輸送機火災事故約占工礦火災事故的20%，因而世界各國均對該項技術的研究非常重視，做了不少研究工作，主要集中在以下幾個方面：驅動滾筒溫升監測、滾筒打滑監測、煙霧報警監測等。

2 在線監測系統設計

2.1 技術實現背景

針對國內外對鋼繩芯膠帶輸送機各種監測方法的研究與應用，發現目前的監測方法、方式花樣繁多，但避免故障發生的作用并不是非常明顯。原因是沒有一個綜合的在線監測控制平臺對所有監測方法進行集成，因此，本文采用組態軟件將國內外先進的監測方法集為一體，設計研究一套全方位、多角度、無死角的實時在線監測系統平臺。

本文的研究對象選擇山西省西山礦務局馬蘭煤礦地主斜井輸送機，井筒斜長767.72m，傾角22°。運輸能力：Q=600t/h，提升高度：H=291.1m，帶寬：B=1000mm，帶速V=3.15m/s，物料粒度：0～300mm原煤，物料散密度：γ=1.41t/m3。

2.2 下位機監測系統設計

（1）機頭監測部分設計。我們采用上位PC機作監測主站，收集機頭和機尾的80C196KB以及溫度監測的AT89C2051單片機的測量數據，從而形成一個主從式分布測量系統。膠帶輸送機機頭監測部分主要包括接頭斷帶監測、機頭主動滾筒打滑監測和機頭皮帶跑偏監測三部分內容，同時，還包括報警顯示和參數輸入功能，其系統結構如圖1所示。對于機頭監測系統，其狀態顯示與報警部分直接購買配套產品，我們主要開發了機頭主機板、機頭信號處理板、LED顯示3塊電路板，來構成機頭的監測系統。

圖1 機頭監測子系統整體結構圖

（2）機尾監測部分。機尾監測部分主要包括機尾撕帶監測、托輥超溫監測和滾筒打滑監測三大部分內容，其整體結構如圖2所示。由于機尾監測的主機板與機頭的相同，而機尾沒有報警板，由于機尾的落料口的距離較遠，我們在每個撕帶監測點用一套撕帶擴展板，就近將機尾的撕帶信號出路放大后送入機尾處理板，因此，我們就機尾監測系統劃分為機尾主機板、機尾撕帶擴展板和機尾處理板三大部分。

圖2 機尾監測系統整體結構示意圖

（3）監測系統軟件設計。監測系統軟件設計也包括機頭、機尾和環境溫度監測三部分的軟件設計，其中機頭部分與機尾和環境溫度部分相比，還多承擔了參數輸入、膠帶機故障診斷與狀態顯示等功能，主要實現的功能包括系統機頭監測參數的設置，機尾監測參數的設置，環境溫度報警閾值的設置，機頭監測數據的采集與運算，膠帶機運行狀態判斷、膠帶運行狀態的顯示和故障報警，監測參數的接收和數據的上報等，其程序機構圖見圖3，主要分成系統初始化、定時器中斷、HIS輸入與EXTINT中斷和通信中斷幾大部分。

圖3 機頭監測軟件機構示意圖

2.3 上位機系統設計

在本測量系統中，我們采用主從式測量系統來實現對膠帶機工況的實時監測與故障診斷，上位機選用普通PC作為主機，負責下位機現場的測試數據進行采集、分析和存儲，運行狀態的實時工況分析與故障診斷，膠帶接頭損傷的趨勢分析，監測系統參數的標定，顯示記錄與故障報警，以及測量參數的查詢等。膠帶輸送機狀態狀態監測系統如圖4所示，主要完成與下位機通信、測量數據的顯示、接頭剛度回歸計算、故障報警和趨勢分析等功能。圖中所示，上半部顯示膠帶接頭測量的實時參數，包括實時測量的接頭長度，接頭的伸長量，張力和膠帶速度，膠帶機頭主動滾筒、機尾從動滾筒的滑差率。下部為膠帶機環境溫度各測點的實時溫度顯示；中間分別為系統時間和膠帶機運行狀態，當膠帶機各項參數都正常時，膠帶機運行狀態將顯示正常，且綠燈閃爍；當膠帶機出現運行故障時，在狀態框內將會以紅色指示燈閃爍的形式報警故障類型和故障位置，同時伴有聲音報警，該報警將會一直持續下去，直到我們用鼠標雙擊膠帶輸送機狀態框；當多個故障同時發生時，按照故障的嚴重程度來報告，狀態欄只顯示報告前面的故障，但是可以在輸送機狀態查詢中察看膠帶輸送機的詳細故障記錄。

圖4 膠帶輸送機狀態監測主窗口

2.4 上位機與下位機之間的串行通信

整個系統屬于主從式監測系統（如圖5所示），由一個上位機（PC機）和多個下位機構成。上位機用來接收各下位機的數據，并將其進行處理、顯示（如變化曲線或數 據表格）、打印等，同時，向各下位機發布控制命令，以實現集中管理和最優控制。下位機的任務就是采集各點數據并對各點進行控制。上位機與多個下位機連接的通信接口電路如圖6所示。

圖5 主從式監測系統原理圖

圖6 PC機與單片機的多機通信電路圖

圖7就是通信服務程序界面，利用MSCOMM控件實現上位機與下位機之間的數據傳輸，界面上顯示了下位機各監測位置傳輸給上位機的數據信號。界面上的系統標定主要用來設置下位機監測系統的原始參數，包括機頭參數和機尾參數設置，由上位機將數據傳遞給下位機。機頭參數設置包括機頭滾筒直徑和轉向滾筒直徑，用來計算機頭滾筒速度和膠帶速度；機尾參數設置包括機尾滾筒直徑和縱向撕裂積分閾值，分別用來計算機尾滾筒速度和進行膠帶縱向撕裂積分的比較。

圖7 通信服務程序界面

3 結語

本文在深入研究膠帶輸送機故障的監測與診斷方法的基礎上，開發了一套綜合膠帶輸送機實時監測平臺。對各監測站點的信息進行統一管理，便于膠帶機整體狀況的監測和管理。實現了各監測站點之間的通信，各傳感器之間的融合應用。既可以上下位機之間形成一統一整體，在環境不許可的情況下，還可以單獨將下位機構成一整體，進行膠帶機的離線監測。