礦用帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用

王 浩

(山西焦煤集團(tuán) 技術(shù)中心， 山西 太原 030021)

礦用帶式輸送機(jī)是礦井煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾獧C(jī)械設(shè)備，在長(zhǎng)期高速承載的運(yùn)行下，輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、打滑、撕裂等故障，影響正常生產(chǎn)。通過帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，降低故障發(fā)生率，提高工作效率。目前，許多學(xué)者進(jìn)行了監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從已有研究來看，監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)精度較低，不能實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位且自動(dòng)化水平較低，在井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，系統(tǒng)問題較多，工人維修操作難度大，影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行[1-5]. 因此，對(duì)某礦輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在EEMD算法基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了故障信息的準(zhǔn)確判斷，且進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

1 帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)2016 年版《煤礦安全規(guī)程》和GB 3836.4-2010《爆炸性環(huán)境：由本質(zhì)完全型“i”保護(hù)的設(shè)備 第4部分》，輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足以下條件:

1) 滿足井下惡劣的開采條件，且系統(tǒng)電路需具備一定的防潮、防塵功能。

2) 在系統(tǒng)硬件以及軟件的選擇上，必須具有一定的可靠性，保證電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3) 監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)需具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，且要求系統(tǒng)的集成度高，便于工作人員操作。

4) 為了便于系統(tǒng)的升級(jí)拓展，需提供足夠的接口提高系統(tǒng)的可拓展性。

5) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需經(jīng)濟(jì)合理，適應(yīng)礦井開采條件。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分。硬件設(shè)計(jì)的核心是監(jiān)測(cè)主機(jī)，其負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)采集，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大的運(yùn)算能力及豐富的外界口功能，選用MIO-5250主板。主板參數(shù)：采用Inter1NM10處理器，Dual-Core 1.6 GHz/1.86 GHz的主頻，4 GB的內(nèi)存，128 GB的固態(tài)硬盤，12VIA的電源和7 W的功耗，主板尺寸為148 mm×101 mm.

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件設(shè)計(jì)，主要是實(shí)現(xiàn)各模塊的作用，在硬件主板的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的軟件模塊。軟件的設(shè)計(jì)依賴于LabVIEW 軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)控制的人機(jī)界面，通過人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和調(diào)控，提供了自動(dòng)化水平。

帶式輸送機(jī)地址自動(dòng)分配流程圖見圖1. 分配方法：上位機(jī)對(duì)于地址排序功能的實(shí)現(xiàn)依賴于下位機(jī)地址排序，當(dāng)上位機(jī)地址排序按鈕或電路合閘時(shí)，下位機(jī)執(zhí)行程序功能。上位機(jī)主控界面運(yùn)行后，發(fā)出地址排序命令，管理模塊將地址自動(dòng)修改為0，修改后地址數(shù)據(jù)傳送至設(shè)備，設(shè)備地址、排序命令等信息都在數(shù)據(jù)中。當(dāng)設(shè)備接收到上級(jí)沿線設(shè)備的數(shù)據(jù)后，設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的分配并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)通過，數(shù)據(jù)設(shè)備自動(dòng)修改為1，此后設(shè)備數(shù)據(jù)傳送至下個(gè)沿線設(shè)備中，直至傳送至終端設(shè)備，通過CAN總線在人機(jī)界面顯示。

圖1 帶式輸送機(jī)地址自動(dòng)分配流程圖

如果數(shù)據(jù)檢驗(yàn)失敗，則該機(jī)設(shè)備向上一級(jí)設(shè)備反饋錯(cuò)誤，上級(jí)設(shè)備需重新進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)然后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，共有4次發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，如果4次后下級(jí)設(shè)備數(shù)據(jù)檢驗(yàn)依舊錯(cuò)誤，則表示設(shè)備總線發(fā)生故障，，故障信息將在主機(jī)控制的人機(jī)界面顯示。

1.3 人機(jī)界面窗口顯示設(shè)計(jì)

對(duì)于人機(jī)界面的顯示以主控窗口為例，輸送機(jī)人機(jī)界面顯示窗口見圖2，顯示內(nèi)容：

圖2 輸送機(jī)人機(jī)界面顯示窗口圖

1) 設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)主要有檢修控制、集中控制和就地控制3種模式，各模式下都有相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，只需根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行控制模式的切換，當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈亮?xí)r，輸送機(jī)則處于運(yùn)行狀態(tài)。

2) 顯示界面還具有故障復(fù)位、集控啟停等按鈕，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊便可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3) 沿線設(shè)備的參數(shù)、指示燈以及運(yùn)行過程中電壓等參數(shù)都在顯示界面顯示。

4) 帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中溫度、速度等參數(shù)都會(huì)實(shí)時(shí)顯示，對(duì)于跑偏等故障也會(huì)實(shí)時(shí)顯示，可以根據(jù)界面顯示的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。

2 故障診斷方法

帶式輸送機(jī)常見故障主要包括設(shè)備的磨損、高溫?fù)p壞等，對(duì)于故障信息的診斷可通過電流振動(dòng)信號(hào)解決。對(duì)相對(duì)較復(fù)雜的電流振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)濾波、特征提取等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型的智能識(shí)別。

以礦井帶式輸送機(jī)為例，設(shè)備運(yùn)行過程中軸承轉(zhuǎn)速達(dá)到64 r/min，對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為2 000 Hz，共采集10 000個(gè)采樣點(diǎn)。波形實(shí)測(cè)圖見圖3a)，從圖3a)中可以看出，采集到的信號(hào)振動(dòng)復(fù)雜，故障特征信號(hào)完全融入在波形圖中，因此需要進(jìn)行降噪處理。降噪后的波形圖見圖3b)，利用EEMD算法將噪音值降低為采集信號(hào)值的0.19倍，通過150次的分解，得到15個(gè)不同尺度的特征頻率分量，對(duì)于特征頻率分量相關(guān)系數(shù)大于0. 對(duì)降噪后的信號(hào)進(jìn)行分離，剩余特征頻率分量重構(gòu)得到虛擬噪音信號(hào)，見圖3c). 至此，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)和噪音的分離工作。結(jié)合該次信號(hào)分析，可得到帶式輸送機(jī)外圈故障的頻率為9.5 Hz，內(nèi)圈故障頻率為12.4 Hz，滾動(dòng)體故障頻率為4 Hz.

圖3 時(shí)域波形圖

3 調(diào)試應(yīng)用

基于上述帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和故障診斷分析，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試主要為自動(dòng)地址排序功能的調(diào)試、故障定位功能的調(diào)試、參數(shù)設(shè)置功能的調(diào)試3部分。對(duì)于自動(dòng)地址排序功能的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，出現(xiàn)了排序失敗，通過檢查發(fā)現(xiàn)是RS485通訊程序紊亂造成，設(shè)備之間通訊錯(cuò)誤使得程序發(fā)送錯(cuò)誤，出錯(cuò)后的程序一直發(fā)送導(dǎo)致總線被占，出現(xiàn)信息上傳錯(cuò)誤現(xiàn)象，通過對(duì)通訊程序的修改，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)排序功能的穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于故障定位功能的調(diào)試，采用閉鎖開關(guān)模擬傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量頻率為300～1 000 Hz，測(cè)量信號(hào)以直流電形式輸出，通過該方法對(duì)運(yùn)行過程中帶式輸送機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過人機(jī)界面上設(shè)備故障診斷顯示信息，發(fā)現(xiàn)對(duì)于故障診斷的定位精確度極高，可靠性高。

對(duì)于參數(shù)設(shè)置功能的調(diào)試，主要包括對(duì)輸送機(jī)參數(shù)、配電箱參數(shù)的設(shè)置，在現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置的過程中，發(fā)現(xiàn)回路控制器中的通訊協(xié)議不標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致參數(shù)字節(jié)設(shè)置有限制，重新調(diào)試程序后，參數(shù)設(shè)置順利完成。

4 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有礦用帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，進(jìn)行了監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，在故障診斷方法研究的基礎(chǔ)上，順利得到了帶式輸送機(jī)外圈故障頻率、內(nèi)圈故障頻率和滾動(dòng)體故障頻率，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)排序功能的穩(wěn)定運(yùn)行和參數(shù)的順利設(shè)置，運(yùn)行過程中設(shè)備無故障，證明此次優(yōu)化方案成功。