礦用膠帶運輸機故障監(jiān)測節(jié)點的設計

王輝俊,趙立永,彭 亮

(1.華北科技學院 電子信息工程學院，河北 三河 101601；2.遼寧鐵道職業(yè)技術學院 電氣工程系，遼寧 錦州 121000)

礦用膠帶運輸機故障監(jiān)測節(jié)點的設計

王輝俊1,趙立永1,彭 亮2

(1.華北科技學院 電子信息工程學院，河北 三河 101601；2.遼寧鐵道職業(yè)技術學院 電氣工程系，遼寧 錦州 121000)

針對膠帶運輸機在運行過程中出現(xiàn)的過載、打滑、跑偏等故障，設計了一種以STM32單片機為控制核心的故障監(jiān)測節(jié)點。該監(jiān)測節(jié)點采集溫度、速度、壓力、電壓、電流、膠帶位移等運行參數(shù)，通過CAN總線向地面控制計算機傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦用膠帶運輸機的故障監(jiān)測和保護。實驗表明：該監(jiān)測節(jié)點安全可靠、通用性強、通信速度快，可在線監(jiān)測膠帶運輸機的多種故障。

膠帶運輸機；故障監(jiān)測；膠帶打滑；單片機；CAN總線

在連續(xù)生產(chǎn)中，膠帶運輸機經(jīng)常會出現(xiàn)過載、打滑、跑偏等現(xiàn)象，影響生產(chǎn)效率[1-2]。為此，本文提出了一種礦用膠帶運輸機故障監(jiān)測節(jié)點，可對膠帶運輸機運行狀況和參數(shù)進行自動檢測，并可作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的一個節(jié)點，實現(xiàn)系統(tǒng)級聯(lián)。

1 故障監(jiān)測方案

膠帶運輸機長時間大負荷工作，可能會出現(xiàn)各種各樣的故障。其中常見故障有以下幾種：電動機故障、滾筒溫度過高和膠帶打滑、跑偏、超速、斷裂等。為實現(xiàn)膠帶運輸機故障監(jiān)測，采用如圖1所示監(jiān)測方案。

圖1 系統(tǒng)監(jiān)測方案

電動機作為膠帶運輸機的動力驅(qū)動裝置，常見電氣故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路、漏電等[3]。當膠帶過載時會使運輸機電機處于過載運行狀態(tài)，如長時間過載會燒壞電機繞組，從而引起故障?？赏ㄟ^測量電機定子電流判斷是否過載，若長時間處于過載狀態(tài)，則發(fā)出聲光報警，并切斷電機電源。電動機堵轉(zhuǎn)和三相短路時過流程度不同，所以可以根據(jù)過流倍數(shù)來判斷。當電動機漏電時三相電流瞬時值之和不為零，可用中性線電流來判斷。

當膠帶打滑時會出現(xiàn)膠帶速度和從動滾筒速度不一致的現(xiàn)象[4]；當膠帶超速或斷裂時膠帶速度會超出額定速度或為零。因此，這3種故障可通過檢測膠帶和從滾筒速度判斷。

當膠帶跑偏時膠帶中心線會脫離膠帶機中心線位置，跑偏現(xiàn)象嚴重時可能引起膠帶磨擦起火或者膠帶脫離托輥掉下來，造成重大事故[5]。膠帶跑偏可通過設置在運輸機兩側(cè)的限位開關來檢測。

膠帶運輸機在運行過程中因滾筒與膠帶間的磨擦會使?jié)L筒的溫度升高[6]，溫度過高時會引起火災事故，對正常的生產(chǎn)造成很大的危害。此類故障可通過檢測滾筒溫度判斷。

2 故障監(jiān)測節(jié)點的硬件電路設計

根據(jù)膠帶運輸機故障監(jiān)測方案要求，控制主芯片選擇32位高性能STM32F103單片機，完成電動機故障監(jiān)測、膠帶跑偏監(jiān)測、膠帶和從動滾筒測速、滾筒溫度測量等功能，并實現(xiàn)狀態(tài)、故障顯示，故障報警及CAN總線通信。故障監(jiān)控節(jié)點主要由單片機系統(tǒng)、電動機故障監(jiān)測電路、跑偏限位開關電路、測速電路、溫度測量電路、鍵盤掃描電路、聲光報警電路、LCD顯示電路等部分組成，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2.1 STM32F103電路

單片機是故障監(jiān)測節(jié)點的控制核心，設計使用32位的高性能ARM芯片STM32F103作為控制器，功能強大，內(nèi)部資源豐富，片內(nèi)集成了2個12位的ADC、3個16位定時器和I2C，USART，SPI，CAN，USB 2.0等多個通信接口[7]。STM32F103電路主要由時鐘電路、復位電路、3.3V直流電源和去耦電容等組成。

2.2 電源電路

為了使故障監(jiān)測節(jié)點能在礦井井下安全工作，必須使用本安型電源。采用BY-ACG5L型本安輸出模塊電源為監(jiān)測節(jié)點供電，其輸入電壓范圍為85～265VAC，輸出電壓為+5VDC。由于STM32F103單片機的電源電壓為3.3V，所以需要實現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V，電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.3 電動機故障監(jiān)測電路

電動機故障監(jiān)測電路用來監(jiān)測過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路、漏電等故障狀態(tài)。其中過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等故障可以用三相電流來判斷，漏電故障可通過零序電流檢測，另外可通過三電壓來判斷過壓、欠壓等故障。

2.3.1 電壓采樣電路

由于動力電源相電壓不滿足輸入電壓信號的要求，需要降壓處理。采用ZMPT107電流互感器，2mA/2mA，變比為1∶1，如圖4所示。通過串接3個電阻把660V電壓轉(zhuǎn)換成最大2mA電流，再通過電流互感器傳遞給二次側(cè)，二次側(cè)通過并聯(lián)1個200Ω電阻轉(zhuǎn)換成0～0.4V電壓輸出。

圖4 電壓采樣電路

2.3.2 電流采樣電路

三相電流較大，并且需要轉(zhuǎn)換成電壓信號，采用ZMCT103C型電流互感器，10A/10mA，變比為1000∶1，通過并聯(lián)33Ω電阻轉(zhuǎn)換成0～0.33V電壓輸出，如圖5所示。

圖5 電流采樣電路

2.4 跑偏限位開關電路

跑偏限位開關選擇兩級跑偏開關 HFKPT1，開關觸點通過光耦隔離后接入單片機，電路如圖6所示。當出現(xiàn)一級跑偏時，報警燈閃爍并發(fā)出報警鈴聲；當出現(xiàn)二級跑偏時，發(fā)出報警鈴聲并停止膠帶輸送機運行。

圖6 限位開關電路

2.5 速度傳感器電路

速度傳感器選用2個A3144型霍爾傳感器，將2個磁缸分別裝在膠帶運輸機從動滾筒和膠帶托輥上，利用2個霍爾傳感器將從動滾筒和托輥的轉(zhuǎn)速分別傳送給單片機系統(tǒng)，電路如圖7所示。

圖7 速度傳感器電路

2.6 溫度傳感器電路

為檢測滾筒位置的溫度，使用2個DS18B20[8]，電路如圖8所示。DS18B20為單總線芯片，只需一個端口引腳進行通訊，可通過該引腳直接讀取溫度的數(shù)值。

圖8 溫度傳感器電路

2.7 LCD顯示電路

顯示電路選用LCD12864，采用串行方式驅(qū)動，電路如圖9所示。膠帶運輸機工作正常時顯示電壓、電流、滾筒速度、滾筒溫度等參數(shù)和通信狀態(tài)。膠帶運輸機發(fā)生故障時顯示其故障狀態(tài)，如電動機故障、膠帶運輸機過載、打滑、跑偏等狀態(tài)。

圖9 LCD顯示電路

2.8 CAN通信電路

由于主控芯片STM32F103片內(nèi)集成了CAN控制器[9]，因此可以很方便地將基于STM32芯片的故障監(jiān)測裝置設計成CAN總線上的一個節(jié)點，并且只占用STM32F103的2根I/O口線。

CAN節(jié)點主要是在STM32F103的基礎上增加一個CAN收發(fā)器PCA82C250。由于STM32F103采用的是低功耗設計，3.3V供電，而CAN收發(fā)器PCA82C250是5V供電，如直接相連，STM32F103的接收端無法承受，采用2個6N137不僅起到隔離STM32F103和CAN總線，保護STM32F103芯片的作用，同時又可以進行電平轉(zhuǎn)換。

3 故障監(jiān)控節(jié)點的軟件設計

故障監(jiān)測節(jié)點軟件設計主要根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，分為系統(tǒng)初始化程序、參數(shù)采集程序、數(shù)據(jù)處理及故障判斷程序、顯示程序、CAN總線通信程序等，程序流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)上電后首先對片內(nèi)資源如時鐘、AD模塊、CAN接口等寄存器進行設置，然后采集相關參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后進行故障判斷。當發(fā)生電機故障時，根據(jù)故障特征判斷電機故障類型，若發(fā)生漏電、堵轉(zhuǎn)和三相短路故障則使膠帶運輸機緊急停車并聲光報警；當發(fā)生過載時，根據(jù)過載系數(shù)判斷過載嚴重程度，輕載時只報警不停車，重載時報警并停車。若電機運行正常，接著判斷滾筒溫度是否過高。溫度過高則停車報警。再根據(jù)從動滾筒和膠帶托輥的速度判斷是否膠帶打滑，若打滑則停車報警。最后判斷膠帶是否跑偏，根據(jù)跑偏程度分為一級跑偏和二級跑偏，一級跑偏只報警不停車，二級跑偏報警并停車。故障判斷結(jié)束后進行參數(shù)和狀態(tài)顯示，并把采集到的數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)信息通過CAN總線上傳到上位機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

4 實驗結(jié)果

以B650型礦用膠帶運輸機為例進行測試，長度400m，帶速2m/s，最大輸送量38t/h。實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 故障監(jiān)測節(jié)點實驗數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果表明，故障監(jiān)測節(jié)點能夠根據(jù)不同故障類型實現(xiàn)相應保護動作，可滿足實際生產(chǎn)要求。監(jiān)測節(jié)點參數(shù)測量、故障判斷、顯示、報警、保護和通信等功能正常。

5 結(jié)束語

設計的礦用膠帶運輸機故障監(jiān)測節(jié)點以32位單片機STM32F103為核心，使用片內(nèi)集成的12位高精度AD轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)膠帶運輸機運行狀態(tài)和參數(shù)的采集，并進行數(shù)據(jù)處理和故障判斷，大大提高了采樣精度和數(shù)據(jù)處理速度。利用STM32F103片內(nèi)集成的CAN控制器能夠很好地完成數(shù)據(jù)通信任務，提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩?、準確性和實時性，并且很容易實現(xiàn)系統(tǒng)級聯(lián)，為實現(xiàn)膠帶運輸系統(tǒng)集中監(jiān)控提供了一種有利的手段。

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[責任編輯：周景林]

Design of Fault Monitoring Point of Mine Belt Conveyor

WANG Hui-jun1,ZHAO Li-yong1，PENG Liang2

(1.College of Electronic and Information Engineering，North China Institute of Science and Technology，Sanhe 101601，China；2.Department of Electronic Engineering；Liaoning Railway Vocational Technical College，Jinzhou 121000，China)

In order to solve the problems of overloading，slipping and deviation during belt conveyor working process，and a fault monitoring point was designed，its control center is a STM32 single chip.The parameters of working process like temperature，speed，pressure,voltage ，electronic flow and belt displacement could be collected by the monitoring point，the data was transmitted to ground control computer by CAN bus，fault monitoring and protect of belt conveyor was realized，the experimental results showed that the monitoring point safety and reliable，good versatility，fast communication and many faults could be monitored on line.

belt conveyor；fault monitoring；belt slipping；single chip；CAN bus

2016-09-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.011

廊坊市科技支撐計劃項目(2015011011)；中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(3142014126)

王輝俊(1980-)，男，江蘇丹陽人，副教授，碩士，主要從事控制理論與控制工程方面研究。

王輝俊,趙立永,彭 亮.礦用膠帶運輸機故障監(jiān)測節(jié)點的設計[J].煤礦開采，2017，22(2)：40-43.

TD528.1

A

1006-6225(2017)02-0040-04