選煤廠輸送帶巡檢裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李新劍

（西山煤電西銘礦選煤廠，山西 太原030053）

引言

帶式輸送機(jī)為選煤廠的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、工作時(shí)間長的優(yōu)勢(shì)。隨著選煤廠其他選煤設(shè)備自動(dòng)化水平的提升，對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效率和可靠性提出了更高的要求。帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)輸過程中存在斷帶、跑偏、打滑以及撕裂等事故。當(dāng)前，針對(duì)帶式輸送機(jī)檢測(cè)問題以人工巡檢為主，存在檢測(cè)效率低、準(zhǔn)確率低的問題，制約著選煤廠無人值守生產(chǎn)模式的實(shí)現(xiàn)[1]。因此，分析了帶式輸送機(jī)跑偏的事故并為其設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的巡檢裝置和監(jiān)控系統(tǒng)。

1 帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件包括有輸送帶、托輥、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、自動(dòng)張緊裝置以及清掃裝置等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，選煤廠帶式輸送機(jī)常出現(xiàn)的故障包括有撕裂、斷帶、跑偏、打滑、堆煤等。本文著重對(duì)帶式輸送機(jī)跑偏的事故為其設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的巡檢裝置和監(jiān)控系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的說，帶式輸送機(jī)出現(xiàn)跑偏指的是皮帶的運(yùn)行實(shí)際位置與設(shè)定位置出現(xiàn)偏離，造成上述問題的主要原因在于：

1）帶式輸送機(jī)輸送帶的實(shí)際運(yùn)行方向與設(shè)備機(jī)架的中心線存在較大的誤差；

2）帶式輸送機(jī)輸送帶的實(shí)際運(yùn)行方向與設(shè)備托輥中心線的垂直方向存在較大的誤差；

3）帶式輸送機(jī)托輥中心線發(fā)生較大的偏差[2]。

當(dāng)帶式輸送機(jī)輸送帶發(fā)生跑偏事故時(shí)會(huì)增加輸送帶運(yùn)行的摩擦力，從而加劇輸送帶的磨損甚至斷裂。為此針對(duì)帶式輸送機(jī)的跑偏事故設(shè)計(jì)一款具有監(jiān)控功能的自動(dòng)巡檢裝置，要求其具備如下功能：

巡檢裝置基于攝像機(jī)、溫濕度傳感器、煙霧傳感器等對(duì)選煤廠環(huán)境監(jiān)控的同時(shí)，與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比判斷是否存在故障并對(duì)所采集信息和分析的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。具備監(jiān)控功能的自動(dòng)巡檢裝置主要由巡檢裝置、上位機(jī)監(jiān)控以及通信部分組成，其主體機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 具備監(jiān)控功能的自動(dòng)巡檢裝置結(jié)構(gòu)

2 選煤廠帶式輸送機(jī)巡檢裝置的設(shè)計(jì)

本節(jié)將對(duì)選煤廠帶式輸送機(jī)巡檢裝置的結(jié)構(gòu)、控制器以及無線通信進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。具體闡述如下：

2.1 巡檢裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)帶式輸送機(jī)巡檢裝置的功能，設(shè)計(jì)如圖2所示的巡檢裝置。

圖2 巡檢裝置結(jié)構(gòu)組成圖

如圖2所示，帶式輸送機(jī)巡檢裝置包括有驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置、充電裝置以及巡檢殼體組成。其中，檢測(cè)系統(tǒng)為該裝置的核心，其安裝有必要的傳感器（煙霧傳感器、溫濕度傳感器、攝像頭等），蓄電池以及對(duì)應(yīng)的控制器等。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合選煤廠帶式輸送機(jī)輸送帶的長度為160 m，則對(duì)應(yīng)巡檢裝置的單向巡檢長度為160 m。根據(jù)選煤廠巡檢需求，設(shè)定巡檢裝置的運(yùn)行速度為0.5 m/s。考慮后期巡檢裝置維修的方便性，為其選擇通用性較高的齒輪。其中，巡檢主動(dòng)齒輪的直徑為50 mm，從動(dòng)齒輪的直徑為100 mm，對(duì)應(yīng)行走輪的直徑為75 mm。根據(jù)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率的計(jì)算公式，得出所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為22.4 W。根據(jù)選煤廠實(shí)際生產(chǎn)需求，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際功率為理論功率的3倍，則所選型電機(jī)的最小功率應(yīng)為22.4 W×3=67.2 W，圓整為70 W[4]。結(jié)合計(jì)算結(jié)果和產(chǎn)品類型，選擇GDM-8型直流無刷電機(jī)為巡檢裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示：

表1 GDM-8型無刷直流電機(jī)參數(shù)

2.1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合巡檢裝置的功能要求，其檢測(cè)系統(tǒng)需對(duì)設(shè)備的跑偏事故、選煤廠的環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，為檢測(cè)系統(tǒng)配置攝像機(jī)、煙霧傳感器、溫濕度傳感器以及通訊分系統(tǒng)等，各個(gè)設(shè)備的型號(hào)及參數(shù)如下所示：

1）考慮到選煤廠工作環(huán)境惡劣，要求攝像機(jī)具備適應(yīng)惡劣環(huán)境工作的需求。結(jié)合巡檢裝置的運(yùn)行速度要求攝像機(jī)幀數(shù)不低于12 fps。綜合考慮，選擇海康威視的H.265網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

2）所選型溫濕度傳感器的型號(hào)為DHT11，其對(duì)溫度測(cè)量精度為±1℃，對(duì)濕度RH的測(cè)量精度為±4%。

3）所選型鹽霧傳感器的型號(hào)為ZYMQ-2，其注重對(duì)選煤廠粉塵濃度進(jìn)行檢測(cè)，可檢測(cè)粉塵濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍為300×10-6～10 000×10-6。

2.2 巡檢裝置控制器的設(shè)計(jì)

控制器為實(shí)現(xiàn)巡檢裝置功能任務(wù)的核心，本系統(tǒng)采用單片機(jī)的STM32系列為控制器的微處理器，基于控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)巡檢裝置的自動(dòng)巡檢功能。通過巡檢裝置控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢裝置的移動(dòng)控制、視頻控制、數(shù)據(jù)采集與分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并根據(jù)數(shù)據(jù)采集與分析結(jié)果控制帶式輸送機(jī)輸送帶的運(yùn)行與停機(jī)[5]。根據(jù)巡檢裝置的功能需求設(shè)計(jì)如圖3所示的控制流程圖：

圖3 巡檢裝置控制流程圖

如圖3所示，系統(tǒng)運(yùn)行初始化后控制巡檢電機(jī)運(yùn)行，并通過通訊系統(tǒng)將攝像機(jī)采集的圖像上傳至上位機(jī)判斷輸送帶是否出現(xiàn)跑偏；根據(jù)溫濕度傳感器所采集的數(shù)據(jù)判斷其是否超過預(yù)定值；根據(jù)煙霧傳感器所采集的數(shù)據(jù)判斷其是否超過預(yù)定值。并根據(jù)所采集的結(jié)果發(fā)出報(bào)警并控制輸送帶停機(jī)。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)為實(shí)時(shí)顯示選煤廠帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及周圍環(huán)境的系統(tǒng)，其是實(shí)現(xiàn)選煤廠帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢的基礎(chǔ)，包括有對(duì)帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢以及歷史故障數(shù)據(jù)的查詢等功能。此外，基于上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，溫濕度以及煙霧濃度以及攝像機(jī)的曝光時(shí)間、分辨率以及對(duì)比度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。以某應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)其對(duì)應(yīng)環(huán)境參數(shù)及溫濕度的檢測(cè)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示

3 結(jié)語

帶式輸送機(jī)作為選煤廠關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)輸安全性和效率直接決定選煤廠的運(yùn)輸能力。在運(yùn)輸過程中，輸送帶跑偏、斷裂、打滑等為常見故障。因此，需加強(qiáng)對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，以保證選煤廠的整體運(yùn)輸能力。