選煤廠破碎機(jī)故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 磊

(西山煤電集團(tuán)公司西曲礦選煤廠，山西 古交 030200)

0 引言

煤炭作為我國長(zhǎng)期以來消耗占比最多的能源，其生產(chǎn)與處理一直廣受國家與國民的關(guān)注。隨著近幾年國家推出一系列環(huán)境治理措施后，對(duì)煤炭開采后的處理技術(shù)要求也越來越高[1-2]。選煤是利用機(jī)械加工或物理化學(xué)處理方法來清除原煤中雜質(zhì)的過程，其目的是改善煤的質(zhì)量，以滿足不同用戶的需求[3]。選煤過程極其復(fù)雜，需要用到很多機(jī)械設(shè)備，其中就包括破碎機(jī)[4-5]。破碎機(jī)主要是對(duì)較大的原煤進(jìn)行破碎處理，由于其負(fù)載很不均勻[6-8]，工況不穩(wěn)定，設(shè)備在運(yùn)行過程中容易發(fā)生故障，導(dǎo)致破碎質(zhì)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(nèi)對(duì)選煤廠破碎機(jī)的故障監(jiān)測(cè)所做的研究不多，研制設(shè)計(jì)一種監(jiān)視、檢查破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的必要性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

主要對(duì)選煤廠廣泛采用的齒輥式破碎機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)[9-10]。齒輥式破碎機(jī)主要由電機(jī)、皮帶、主軸承、從動(dòng)齒輥和粉碎棒組成。在設(shè)備工作時(shí)，由電機(jī)將轉(zhuǎn)速與扭矩傳遞給皮帶主動(dòng)輪，經(jīng)過皮帶傳動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，增大扭矩后，傳遞給從動(dòng)齒輥和粉碎棒，進(jìn)而對(duì)物料進(jìn)行破碎。綜合分析其工作環(huán)境與設(shè)備特點(diǎn)，總結(jié)出破碎機(jī)3種主要故障類型，即電機(jī)故障、皮帶故障和主軸承損壞。

破碎機(jī)由于其工作時(shí)所受負(fù)載不均勻，當(dāng)物料中有矸石時(shí)，設(shè)備容易受到損壞，而電機(jī)故障的主要原因是機(jī)箱溫度過高和電壓波動(dòng)，因此本系統(tǒng)通過采集機(jī)箱溫度和電機(jī)電壓來判斷電機(jī)是否出現(xiàn)故障。皮帶故障的主要原因是設(shè)備工作時(shí)由于工況惡劣，使皮帶與軸承在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下磨損嚴(yán)重，與各零部件之間的摩擦產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致皮帶自身性能下降，傳動(dòng)時(shí)皮帶可能發(fā)生斷裂，因此，通過采集皮帶的溫度信號(hào)與壓力信號(hào)判斷皮帶是否出現(xiàn)故障。主軸承損壞將直接導(dǎo)致其在工作時(shí)溫度異常升高，所以本系統(tǒng)通過采集其溫度信號(hào)判斷主軸承是否損壞。

設(shè)計(jì)的破碎機(jī)故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由選煤廠監(jiān)控中心、監(jiān)測(cè)器和數(shù)據(jù)采集單元組成。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集皮帶的溫度信號(hào)與壓力信號(hào)，經(jīng)過監(jiān)測(cè)器處理分析判斷故障類型并將數(shù)據(jù)與結(jié)果通過CAN總線的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，由工作人員統(tǒng)一調(diào)度指揮。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體方案設(shè)計(jì)

綜合對(duì)比了市面上幾種常見的數(shù)字處理器，最終決定選擇DSP芯片作為本系統(tǒng)的核心處理器。該芯片采用流水線處理的方式，可并行執(zhí)行多個(gè)操作，提高了其數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理能力。由于近幾年科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)μ幚砥鞯男阅芤笤絹碓礁撸珼SP芯片在工程控制與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。破碎機(jī)故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件主要組成部分有DSP處理器、通信電路、存儲(chǔ)擴(kuò)展電路、鍵盤及顯示電路、數(shù)據(jù)采集電路、電源電路和DSP的外圍電路等。系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

2.2 DSP芯片選型

在對(duì)DSP芯片選型時(shí)，主要考慮了芯片運(yùn)算速度、芯片內(nèi)部提供的硬件資源、芯片開發(fā)擴(kuò)展能力。在綜合對(duì)比分析TI公司的幾款主流DSP芯片后，最終決定采用型號(hào)為TMS320F2812的芯片作為系統(tǒng)的核心處理器。TMS320F2812芯片是一種高性能、低功耗的數(shù)字信號(hào)處理器，由于其具有較高的性價(jià)比，所以迄今為止是在工程控制與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣的DSP芯片之一。在TMS320C28x系列之上，該芯片的內(nèi)核擴(kuò)展集成了大量外設(shè)，其處理速度最高可達(dá)150 MIPS，在單個(gè)指令周期內(nèi)可以計(jì)算一次乘法和加法運(yùn)算；芯片內(nèi)部具有12位的AD轉(zhuǎn)換器；在編程方面，可采用統(tǒng)一匯編語言C/C++進(jìn)行開發(fā)，TI公司為用戶提供了良好的開發(fā)環(huán)境。

2.3 外圍電路設(shè)計(jì)

DSP芯片電源電路：TMS320F2812芯片的供電方式相較于其他型號(hào)復(fù)雜一些，芯片的內(nèi)核電壓和I/O電壓對(duì)電源的要求不同，內(nèi)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(tǒng)最終采用分別對(duì)其供電的方式實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為+3.3 V，向片內(nèi)一路電源電壓為+3.3 V，為FLASH、ROM存儲(chǔ)器等提供能源；下半部分電路采用TPS76801Q芯片將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+1.9 V，為I/O接口提供工作電壓。

外部復(fù)位電路：由于時(shí)鐘頻率較高，DSP系統(tǒng)在工作時(shí)可能會(huì)受到干擾，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)外部的復(fù)位電路，保證系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)TPS3823-33芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位功能，除此之外TPS3823-33芯片還可以初始化DSP系統(tǒng)電路，并對(duì)其進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)和手動(dòng)復(fù)位。系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖4所示。

圖3 DSP電源電路

圖4 復(fù)位電路示意圖

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812芯片內(nèi)部具有CAN控制器，在接入到CAN總線系統(tǒng)時(shí)不需要設(shè)計(jì)底層協(xié)議，所以本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器與監(jiān)控室上位機(jī)之間的通信方式選擇為CAN總線。本系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的SN65HVD-230收發(fā)器作為CAN控制器與物理總線的接口。該收發(fā)器是與DSP芯片相配套的CAN總線收發(fā)器，與芯片內(nèi)核相同采用3.3V電壓供電，具有通信距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸信號(hào)穩(wěn)定等的特點(diǎn)。為了降低功耗，收發(fā)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(nèi)的控制器在使用收發(fā)器SN65HVD230的情況下，其傳輸速度最高可達(dá)1 Mbit/s。系統(tǒng)的串口通信電路如圖5所示，為了減少長(zhǎng)距離傳輸所帶來的干擾，在線路兩端并聯(lián)了一個(gè)電阻。

圖5 串口通信電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的在線監(jiān)測(cè)功能，軟件的主程序流程圖如圖6所示。首先對(duì)系統(tǒng)上電初始化，其中包括時(shí)鐘信號(hào)，通訊模塊，處理器單元，傳感器的初始化。在初始化結(jié)束后系統(tǒng)需要自檢，當(dāng)自檢出錯(cuò)時(shí)，報(bào)錯(cuò)并調(diào)用處理子程序或者人工處理。當(dāng)系統(tǒng)可以正常工作后，首先調(diào)用通訊子程序，可以實(shí)時(shí)通過CAN總線的方式將監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)與結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控室，然后開始采集數(shù)據(jù)，包括電機(jī)、皮帶和主軸承的工作信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)與數(shù)據(jù)處理，調(diào)用存儲(chǔ)子程序，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器，以作備份，之后將數(shù)據(jù)與參考值比較，判斷是否故障、故障類型與故障部位，當(dāng)大于參考值時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用子程序進(jìn)行報(bào)警并通過人機(jī)交互界面顯示其詳細(xì)信息，必要時(shí)進(jìn)行停機(jī)處理。

圖6 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 結(jié)語

國內(nèi)大多數(shù)選煤廠對(duì)破碎機(jī)故障的判斷來源是人的主觀經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備缺乏有效監(jiān)管，不能及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行維修。本文所設(shè)計(jì)的破碎機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了破碎機(jī)容易出現(xiàn)故障的電機(jī)、皮帶和主軸承，設(shè)立了電壓傳感器和電流傳感器來實(shí)現(xiàn)3個(gè)零部件的信號(hào)采集，經(jīng)過處理器分析判斷其是否故障和故障類型等。該系統(tǒng)的運(yùn)用將提供一種客觀的破碎機(jī)故障判斷方法，提高故障的處理效率，并對(duì)事故的發(fā)生起到預(yù)警的作用，節(jié)約人力成本，保障選煤廠生產(chǎn)效率與工人的人身安全。