刮板輸送機監(jiān)控及故障識別系統設計與應用

李春曉，李艷紅

(西安外事學院，陜西 西安 710077)

很長一段時間以來，煤炭資源都是我國能源結構體系中的主體，在保障人們日常生活和促進社會經濟發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。經過多年的發(fā)展與應用，我國在煤礦開采領域的技術水平得到了一定的提升，很多國外先進的設備和控制技術逐漸被國產化設備和技術替代，甚至在智能化、大采高等方面的技術水平已經超過了國外技術[2]。刮板輸送機是綜采工作面中非常關鍵和重要的設備，主要作用是對采煤機截割獲得的煤塊進行收集并運輸，其運行的可靠性會對采煤過程產生非常重要的影響[3]。所以確保刮板輸送機運行的可靠性是煤礦自動化和智能化建設過程中急需解決的問題，也是煤礦領域研究的熱點問題[4]。本文主要以煤礦中經常使用的SGZ1000/1710型刮板輸送機為對象，對其運行過程中的監(jiān)控及故障識別系統進行分析與研究，通過工程應用發(fā)現效果良好，在保障設備運行穩(wěn)定性和可靠性方面發(fā)揮著重要意義。

1 整體方案設計

1.1 刮板輸送機概述

SGZ1000/1710型刮板輸送機的標準長度250 m，輸送能力2 500 t/h，裝機功率2×855 kW，電機型號為YBSD-855G型，正常工作時電壓為3.3 kV。在電機的驅動作用下刮板鏈的運行速度可以達到1.58 m/s。該型號設備的整體結構與其他刮板輸送機基本類似，主要由電機、液力耦合器、減速器、中部槽、刮板鏈等部分構成[5]。刮板鏈屬于中雙鏈，其中心距離為260 mm，中部槽結構的規(guī)格尺寸為1.75 m×1 m×0.352 m。刮板輸送機傳動系統結構原理如圖1所示。由電機輸出的動力先后經過液力耦合器和減速器后會輸入到鏈輪中。鏈輪旋轉過程中通過鏈條帶動中部槽結構實現循環(huán)往復運動，從而達到對煤塊進行輸送的效果。

圖1 刮板輸送機傳動系統原理示意Fig.1 Schematic diagram of drive system of scraper conveyor

1.2 系統整體方案

結合實際情況設計的刮板輸送機監(jiān)控及故障識別系統的整體方案結構如圖2所示。

從圖2中可以看出，整個系統可分為地面部分和井下部分。其中，地面部分主要由上位機及其他配套設施構成，上位機中內置有故障識別系統，可以基于傳感器的檢測信息對設備存在的故障問題進行檢測識別。

井下部分主要由4個監(jiān)控分站構成，分別為前部機頭、后部機頭、前部機尾和后部機尾監(jiān)控分站。各個監(jiān)控分站的作用是利用專業(yè)傳感器對所負責區(qū)域的設備運行狀態(tài)進行檢測，可以對檢測得到的數據進行實時顯示并存儲，并且配備有聲光報警裝置，一旦系統檢測發(fā)現該區(qū)域存在故障問題，系統會向外發(fā)出聲音和光線警報。各個監(jiān)測分站之間通過RS-485總線實現數據信息交互，4個分站中需選擇一個作為主站，并將所有的數據信息打包后，通過CAN總線實現與井面監(jiān)控中心之間的連接。

1.3 主要監(jiān)測點布置

在充分分析刮板輸送機實際運行過程中常見故障問題的基礎上，對其監(jiān)測點進行科學合理的設計，以下主要對關鍵的監(jiān)測點布置情況進行介紹。

(1)電機監(jiān)測點。刮板輸送機中電動機是其動力來源，其穩(wěn)定運行非常重要。結合實際情況，電機常見的故障問題主要包括轉子軸承和繞組溫度過高、出現燒壞的現象。所以，需要使用溫度傳感器對電機繞組機、前后軸承的溫度進行監(jiān)測，另外還要對電機的電流和電壓等進行監(jiān)測。

(2)液力耦合器監(jiān)測點。通過液力耦合器可以將動力傳輸到減速器中，同時對電機起到保護作用，一旦負載過大，液體耦合器會出現打滑。但長時間打滑會影響其使用壽命，需要利用速度傳感器對液力耦合器的輸入轉速和輸出轉速進行監(jiān)測。

(3)減速器監(jiān)測點。減速器能夠調整電機的輸出轉速，實踐中減速器的常見故障包括軸承溫度過高和潤滑油供應不到位，需要對減速器軸承的溫度、潤滑油溫度以及油位等進行監(jiān)測。

(4)其他監(jiān)測點。刮板輸送機的電機、減速器等需要通過水冷方式進行冷卻，冷卻水的供應效果會影響其冷卻效果。本案例中利用傳感器對冷卻水的壓力和溫度進行檢測。另一方面，鏈條張力過大或過小，會導致鏈條出現卡鏈甚至斷鏈問題。所以需要對張緊裝置的油缸壓力、位移等進行監(jiān)測。

2 系統主要硬件選型

2.1 CPU的選型設計

CPU是系統的重要硬件設施，性能好壞會對其整體運行穩(wěn)定性產生明顯的影響。在選擇CPU型號時不僅需要考慮系統當前階段的實際使用需要，還要考慮系統未來的擴展需要。在充分比較不同類型CPU性能和運行穩(wěn)定性的基礎上，最終選用的是STM32103VB型單片機[6]。此型號設備在工業(yè)應用中比較多，具有功耗低、性能高、運行穩(wěn)定、高度集成、容易開發(fā)應用等眾多優(yōu)勢。此CPU的SRAM存儲器和Flash存儲器容量分別為64 KB和256 KB，存儲單元完全能滿足系統的實際需要，還擁有USB接口、CAN接口、SPI等眾多接口，可以通過多種形式與其他硬件設施進行連接，從而實現數據信息的交互。具備有DMA寄存器，并且此寄存器在運行時可以實現與主程序的并列運行，且對主程序基本沒有影響，此設計方案能顯著提升DMA傳輸數據的效率以及可靠性。擁有的I/O接口、ADC采集接口、DAC采集通道的數量依次為80、16和2個。根據本系統的實際情況，CPU至少需要模擬量采集引腳和數字量引腳的數量依次為24個和8個，完全能滿足實際需要。

除CPU外還需要設計配套的外圍電路，才能確保CPU的穩(wěn)定可靠運行，以上硬件設施可構成最小系統[7]，最小系統的基本構成情況如圖3所示。由圖3可知，最小系統中除CPU外還包括外部高速和低速晶振電路，其作用是為CPU提供時鐘頻率，以保證其穩(wěn)定運行。復位按鍵電路的作用是在無需切斷CPU電源的情況下，對該硬件進行重啟。工作指示燈電路的作用是對CPU的工作狀態(tài)進行指示，確保CPU能可靠運行。JTAG下載接口電路的作用是對有關程序進行下載，并完成在線調試工作。此外，為保證CPU正常運行，還需要一些其他電路。

圖3 最小系統的基本構成Fig.3 Basic composition of minimum system

2.2 顯示屏選型

本系統中每個監(jiān)控分站均配備有顯示屏，作用是對相關檢測結果進行顯示，也可在顯示屏中設置相關參數。綜合考慮實際需要的基礎上選用的是萬唯KC01-70T型顯示屏，該顯示屏能實現人機交互，屬于本質安全型裝置，能在復雜的礦井工作環(huán)境中使用。該顯示屏能通過RS232、RS485、USB、工業(yè)以太網等多種協議實現與其他硬件設施之間的數據交互。考慮到整個系統中使用的通信協議為Modbus-RTU標準協議，顯示屏在進行設計時同樣使用此標準協議。

2.3 電源電路

監(jiān)控及故障識別系統中各項硬件設施都需要電源進行供電才能夠實現各項功能[8]。監(jiān)控裝置中需要輸入的電壓有2種，分別為直流12 V和24 V。其中12 V主要對內部的電路進行供電，24 V主要對各種專業(yè)傳感器進行供電。通常情況下煤礦井下的供電電壓為交流127 V，所以需要設計專門的電路將交流127 V電壓轉換成為直流12 V和24 V的電壓，供系統中相關的硬件設施使用。系統中選用本質安全型直流供電電源完成上述轉換工作。另外，部分硬件設施的供電電壓為5 V，需要采用電源電路將12 V電壓轉換為5 V電壓。電源電路結構原理如圖4所示。

圖4 電源電路結構原理Fig.4 Principle and structure of power circuit

由于礦井環(huán)境特殊，需要設計本質安全型電路，根據相關要求，在進行電壓轉換過程中需要對其進行隔離，確保電壓轉換過程的安全性[9]。為達到相關要求，在結合實際情況的基礎上，選用的電源隔離模塊為金升陽型號。基于隔離模塊U1、U2、U3可以將12 V輸入電壓轉變成為隔離12 V電壓，然后將其輸入到電壓轉換電路中將其進一步轉變成為隔離的5 V電壓，為系統中的CPU、通信電路、驅動電路等進行供電，確保以上硬件設施的穩(wěn)定運行。圖4中D1、D2均為二極管，防止出現反向電壓，對相關硬件設施造成不必要的損壞，F1為保險，對電路進行保護，電容C1、C4以及二極管D3、D4的作用是提升電路運行的穩(wěn)定性，確保電路可以將12 V直流電壓穩(wěn)定的輸出為5 V直流電壓。

3 軟件程序設計

系統中如果只有硬件裝置仍然無法運行，需要通過科學合理的軟件程序才能夠實現各項功能，因此軟件程序設計的好壞會影響系統運行過程的穩(wěn)定性和可靠性[10]。為了方便軟件程序的編寫以及后期維護，基于模塊化思想對軟件程序進行設計，即使用一個主程序配合多個子程序。主程序在運行過程中會不斷地調用各種子程序，實現監(jiān)控及故障識別系統的各項功能。

3.1 軟件程序的整體框架

基于C語言對軟件程序進行編寫，軟件系統的整體結構如圖5所示。基于前文分析可知，系統中共設置了4個分站，在實際應用中需要結合實際情況就近選擇一個作為主站，主站和分站在功能上稍有差異。

圖5 軟件程序的整體結構Fig.5 Overall structure block diagram of software program

3.2 CPU主程序設計

CPU主程序是監(jiān)控系統的關鍵和核心，基于KeiluVision5軟件平臺對CPU主程序進行程序開發(fā)編寫。軟件平臺內部包含有很多固件庫函數可以直接進行調用，對軟件程序的編寫提供了很大便利。如充分結合監(jiān)控及故障識別系統整體框架以及功能需求的基礎上設計的CPU主程序工作流程如圖6所示。程序通電開始運行后，首先對各個子程序進行初始化處理，識別CPU外圍的各項硬件設施，對顯示屏中設置的各個參數預警值進行讀取，并將其作為刮板輸送機是否正常運行的重要判定依據。另外，還需要判斷本站屬于主站還是分站。

圖6 CPU主程序工作流程Fig.6 CPU main program workflow

若識別本站屬于主站，則按照主站工作流程進行工作。系統啟動數據采集子程序對刮板輸送機的關鍵點狀態(tài)數據信息進行采集，并實現與顯示屏之間的連接，對檢測結果進行顯示。如果分析判斷檢測結果超過了系統設定的安全閾值，通過聲光報警判斷子程序可以啟動聲光報警裝置。主站工作時需要與各個分站進行連接實現數據共享，同時還要基于CAN總線與井面的上位機進行連接。若識別為從站，則按照從站的工作流程圖進行工作，主要的工作流程與總站基本類似，但無需與上位機進行通信。

3.3 聲光報警判斷子程序

對于本系統而言，故障報警是非常重要的功能，此子程序的作用是如果系統判斷刮板輸送機存在故障問題，會通過控制聲光報警電路使LED燈光和蜂鳴器發(fā)出對應的燈光和聲音，以提醒相關工作人員注意。一般情況是檢測值超過了系統的安全閾值，也有部分參數是低于系統設定的安全閾值，不管是超過還是低于安全閾值，系統都會啟動聲光報警子程序。聲光報警判斷子程序工作流程如圖7所示。如果是高限閾值，則檢測值超過該數值時會發(fā)出聲光警報，若低于該數值則不會發(fā)出聲光警報。相反的，如果設置的是低限閾值，則檢測結果低于該數值會發(fā)出聲光警報，若高于該數值則不會發(fā)生警報。

圖7 聲光報警判斷子程序工作流程Fig.7 Audible and visual alarm judgment subprogram workflow

4 應用效果分析

根據上文整體設計方案及硬件和軟件設計成果，將其部署到SGZ1000/1710型刮板輸送機工程實踐中，以驗證系統應用的穩(wěn)定性和可靠性。首先對系統的各項性能進行實踐測試，主要對信號采集、數據信息處理過程、設備狀態(tài)顯示情況等功能進行了現場測試，整個測試時間持續(xù)6個月。通過實踐測試發(fā)現，監(jiān)控及故障識別系統可以很好地對刮板輸送機運行過程中的狀態(tài)數據信息，比如電機工作時的電壓、溫度、運行速度、連續(xù)工作時間、功率等進行準確的監(jiān)測。

監(jiān)控及故障識別系統對刮板輸送機某電機繞組的溫度進行檢測的實際結果與理論結果之間的對比情況如圖8所示，可以發(fā)現兩者之間具有非常好的吻合度。說明本系統可以精確地對設備運行中的狀態(tài)信息進行檢測，為后續(xù)的故障識別提供了很好的數據支撐。監(jiān)測獲得的數信息可以基于RS485通信協議傳輸至控制器中進行分析處理，系統可以將數據分析與處理結果實時顯示在監(jiān)控大屏上，便工作人員查看。

圖8 實測溫度與理論溫度的比較Fig.8 Comparison between measured temperature and theoretical temperature

一旦監(jiān)控和故障識別系統發(fā)現刮板輸送機存在故障問題或安全隱患，一方面會在監(jiān)控大屏上進行彈窗警告工作人員，同時通過聲光報警裝置向外發(fā)出聲音和光線信號，以更好地引起工作人員的注意。系統只需在開始時設置相關參數，后續(xù)運行時無需人為干預，可以自動化完成相關操作。基于測試期間的統計數據分析初步認為，通過使用監(jiān)控及故障識別系統可以使得刮板輸送機的運行故障率降低40%左右，為煤礦企業(yè)節(jié)省了一定的設備維護和保養(yǎng)成本。另外，刮板輸送機運行穩(wěn)定性的提升，使得煤礦開采效率大幅度提升，煤礦開采效率可以提升15%左右，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造的經濟效益更加顯著。

綜上所述，此次針對SGZ1000/1710型刮板輸送機設計的監(jiān)控及故障識別系統，在工程應用中取得了很好的效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經濟效益，獲得了礦井現場人員和技術人員的一致好評，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

5 結論

本文主要以SGZ1000/1710型刮板輸送機為研究對象，對其監(jiān)控及故障識別系統進行了設計與應用研究，所得結論如下。

(1)設計的監(jiān)控及故障識別系統共分為兩大部分，分別為地面部分和井下部分，其中井下結合實際情況建立了4個監(jiān)控分站，分別負責設備在不同區(qū)域的運行狀態(tài)監(jiān)控。每個分站配備有顯示屏，一旦出現故障問題會向外發(fā)出聲光警報。

(2)系統中使用的CPU為STM32103VB型單片機，顯示屏為萬唯KC01-70T型，均具備有豐富的接口，可通過多種協議與其他硬件設施進行連接，基于實際情況全部使用Modbus-RTU標準協議進行程序編寫。

(3)軟件程序方面主要基于模塊化思想進行編寫，方便后期維護。在對整體軟件程序框架進行介紹的基礎上，重點對CPU主程序和聲光報警子程序進行了介紹。

(4)將設計的監(jiān)控及故障識別系統部署到SGZ1000/1710型刮板輸送機工程實踐中，經現場測試發(fā)現各項性能均達到了理想效果，且測量精度比較高。系統的成功實踐應用，使刮板輸送機的故障率降低了40%左右，經濟效益顯著。