智能化膠帶輸送機綜合實時監(jiān)測平臺設計

謝厚正，李飛，胡修慧，亓宏文，臧曉云

（1.泰安市工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展服務中心；2.泰山智能制造產(chǎn)業(yè)研究院，山東 泰安 271000）

鋼繩芯膠帶輸送機是煤礦普遍使用的一種重型運輸設備，是煤礦井下生產(chǎn)運輸和自動輸送裝車的核心設備，其運行狀況直接影響煤礦的生產(chǎn)效率和安全系數(shù)。鋼繩芯膠帶輸送機接頭斷裂、縱向撕裂和起火事故時有發(fā)生，至今仍然沒有較為可靠的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，因而加強對鋼繩芯膠帶故障的在線監(jiān)測方法和技術(shù)的研究勢在必行。

1 鋼繩芯膠帶輸送機故障類型

根據(jù)調(diào)查問卷顯示，鋼繩芯膠帶輸送機的主要故障為接頭斷裂、縱向撕裂、膠帶起火，這3中類型的故障占到所有故障的2/3。

由于接頭是易受損傷部件，導致鋼繩芯膠帶橫向斷裂幾乎無一例外都發(fā)生在接頭位置，主要是因為硫化接頭的強度保持率不夠。

縱向撕裂是由于一些棒料物插入輸送帶，大塊長形矸石掉在輸送帶上，機架某些固定部位劃傷或掛住膠帶，鐵絲鉤住輸送帶等，就將造成重大的經(jīng)濟損失，因此，國內(nèi)出現(xiàn)了不少監(jiān)測方法和裝置。概括起來主要分為發(fā)生撕裂后輸送帶外部和內(nèi)部參數(shù)特性變化兩類監(jiān)測方式。其中，外部監(jiān)測方法包括棒型監(jiān)測器、弦線式監(jiān)測裝置、擺動托輥監(jiān)測器、漏料監(jiān)測裝置。內(nèi)部監(jiān)測方法包括振動傳感監(jiān)測器、膠帶內(nèi)部埋嵌導體的監(jiān)控、超聲波監(jiān)測系統(tǒng)等。

膠帶輸送機火災事故約占工礦火災事故的20%，因而世界各國均對該項技術(shù)的研究非常重視，做了不少研究工作，主要集中在以下幾個方面：驅(qū)動滾筒溫升監(jiān)測、滾筒打滑監(jiān)測、煙霧報警監(jiān)測等。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 技術(shù)實現(xiàn)背景

針對國內(nèi)外對鋼繩芯膠帶輸送機各種監(jiān)測方法的研究與應用，發(fā)現(xiàn)目前的監(jiān)測方法、方式花樣繁多，但避免故障發(fā)生的作用并不是非常明顯。原因是沒有一個綜合的在線監(jiān)測控制平臺對所有監(jiān)測方法進行集成，因此，本文采用組態(tài)軟件將國內(nèi)外先進的監(jiān)測方法集為一體，設計研究一套全方位、多角度、無死角的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺。

本文的研究對象選擇山西省西山礦務局馬蘭煤礦地主斜井輸送機，井筒斜長767.72m，傾角22°。運輸能力：Q=600t/h，提升高度：H=291.1m，帶寬：B=1000mm，帶速V=3.15m/s，物料粒度：0～300mm原煤，物料散密度：γ=1.41t/m3。

2.2 下位機監(jiān)測系統(tǒng)設計

（1）機頭監(jiān)測部分設計。我們采用上位PC機作監(jiān)測主站，收集機頭和機尾的80C196KB以及溫度監(jiān)測的AT89C2051單片機的測量數(shù)據(jù)，從而形成一個主從式分布測量系統(tǒng)。膠帶輸送機機頭監(jiān)測部分主要包括接頭斷帶監(jiān)測、機頭主動滾筒打滑監(jiān)測和機頭皮帶跑偏監(jiān)測三部分內(nèi)容，同時，還包括報警顯示和參數(shù)輸入功能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于機頭監(jiān)測系統(tǒng)，其狀態(tài)顯示與報警部分直接購買配套產(chǎn)品，我們主要開發(fā)了機頭主機板、機頭信號處理板、LED顯示3塊電路板，來構(gòu)成機頭的監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 機頭監(jiān)測子系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

（2）機尾監(jiān)測部分。機尾監(jiān)測部分主要包括機尾撕帶監(jiān)測、托輥超溫監(jiān)測和滾筒打滑監(jiān)測三大部分內(nèi)容，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于機尾監(jiān)測的主機板與機頭的相同，而機尾沒有報警板，由于機尾的落料口的距離較遠，我們在每個撕帶監(jiān)測點用一套撕帶擴展板，就近將機尾的撕帶信號出路放大后送入機尾處理板，因此，我們就機尾監(jiān)測系統(tǒng)劃分為機尾主機板、機尾撕帶擴展板和機尾處理板三大部分。

圖2 機尾監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

（3）監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計。監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計也包括機頭、機尾和環(huán)境溫度監(jiān)測三部分的軟件設計，其中機頭部分與機尾和環(huán)境溫度部分相比，還多承擔了參數(shù)輸入、膠帶機故障診斷與狀態(tài)顯示等功能，主要實現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)機頭監(jiān)測參數(shù)的設置，機尾監(jiān)測參數(shù)的設置，環(huán)境溫度報警閾值的設置，機頭監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與運算，膠帶機運行狀態(tài)判斷、膠帶運行狀態(tài)的顯示和故障報警，監(jiān)測參數(shù)的接收和數(shù)據(jù)的上報等，其程序機構(gòu)圖見圖3，主要分成系統(tǒng)初始化、定時器中斷、HIS輸入與EXTINT中斷和通信中斷幾大部分。

圖3 機頭監(jiān)測軟件機構(gòu)示意圖

2.3 上位機系統(tǒng)設計

在本測量系統(tǒng)中，我們采用主從式測量系統(tǒng)來實現(xiàn)對膠帶機工況的實時監(jiān)測與故障診斷，上位機選用普通PC作為主機，負責下位機現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)進行采集、分析和存儲，運行狀態(tài)的實時工況分析與故障診斷，膠帶接頭損傷的趨勢分析，監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的標定，顯示記錄與故障報警，以及測量參數(shù)的查詢等。膠帶輸送機狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示，主要完成與下位機通信、測量數(shù)據(jù)的顯示、接頭剛度回歸計算、故障報警和趨勢分析等功能。圖中所示，上半部顯示膠帶接頭測量的實時參數(shù)，包括實時測量的接頭長度，接頭的伸長量，張力和膠帶速度，膠帶機頭主動滾筒、機尾從動滾筒的滑差率。下部為膠帶機環(huán)境溫度各測點的實時溫度顯示；中間分別為系統(tǒng)時間和膠帶機運行狀態(tài)，當膠帶機各項參數(shù)都正常時，膠帶機運行狀態(tài)將顯示正常，且綠燈閃爍；當膠帶機出現(xiàn)運行故障時，在狀態(tài)框內(nèi)將會以紅色指示燈閃爍的形式報警故障類型和故障位置，同時伴有聲音報警，該報警將會一直持續(xù)下去，直到我們用鼠標雙擊膠帶輸送機狀態(tài)框；當多個故障同時發(fā)生時，按照故障的嚴重程度來報告，狀態(tài)欄只顯示報告前面的故障，但是可以在輸送機狀態(tài)查詢中察看膠帶輸送機的詳細故障記錄。

圖4 膠帶輸送機狀態(tài)監(jiān)測主窗口

2.4 上位機與下位機之間的串行通信

整個系統(tǒng)屬于主從式監(jiān)測系統(tǒng)（如圖5所示），由一個上位機（PC機）和多個下位機構(gòu)成。上位機用來接收各下位機的數(shù)據(jù)，并將其進行處理、顯示（如變化曲線或數(shù) 據(jù)表格）、打印等，同時，向各下位機發(fā)布控制命令，以實現(xiàn)集中管理和最優(yōu)控制。下位機的任務就是采集各點數(shù)據(jù)并對各點進行控制。上位機與多個下位機連接的通信接口電路如圖6所示。

圖5 主從式監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

圖6 PC機與單片機的多機通信電路圖

圖7就是通信服務程序界面，利用MSCOMM控件實現(xiàn)上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，界面上顯示了下位機各監(jiān)測位置傳輸給上位機的數(shù)據(jù)信號。界面上的系統(tǒng)標定主要用來設置下位機監(jiān)測系統(tǒng)的原始參數(shù)，包括機頭參數(shù)和機尾參數(shù)設置，由上位機將數(shù)據(jù)傳遞給下位機。機頭參數(shù)設置包括機頭滾筒直徑和轉(zhuǎn)向滾筒直徑，用來計算機頭滾筒速度和膠帶速度；機尾參數(shù)設置包括機尾滾筒直徑和縱向撕裂積分閾值，分別用來計算機尾滾筒速度和進行膠帶縱向撕裂積分的比較。

圖7 通信服務程序界面

3 結(jié)語

本文在深入研究膠帶輸送機故障的監(jiān)測與診斷方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套綜合膠帶輸送機實時監(jiān)測平臺。對各監(jiān)測站點的信息進行統(tǒng)一管理，便于膠帶機整體狀況的監(jiān)測和管理。實現(xiàn)了各監(jiān)測站點之間的通信，各傳感器之間的融合應用。既可以上下位機之間形成一統(tǒng)一整體，在環(huán)境不許可的情況下，還可以單獨將下位機構(gòu)成一整體，進行膠帶機的離線監(jiān)測。