帶式輸送機分布式安全監(jiān)測方案及可行性分析

寧文淑

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦，山西 大同 037003）

隨著四臺礦的長期開采，輸送帶在運輸中存在的超速、跑偏、堆煤、煙霧等問題，導致設(shè)備運行與安全無法得到保證，增加了生產(chǎn)過程中的安全隱患[1-3]。通過分析輸送機已出現(xiàn)的安全隱患，設(shè)計安全監(jiān)測系統(tǒng)方案，監(jiān)測故障觸發(fā)報警功能，降低故障發(fā)生率，減少損失。

1 帶式輸送機分布式監(jiān)測分站硬件設(shè)計

分布式監(jiān)測分站在帶式輸送機的頭尾及中間都設(shè)置了相應的傳感器，負責監(jiān)測相關(guān)傳感器進行采集、預處理和傳輸。分布式監(jiān)測分站集成了3 路編碼器信號、1 路拉力傳感器信號、6 路測力傳感器信號、2 路跑偏傳感器信號、1 路漏料檢測器信號、1 路溫度傳感器信號、1 路堆煤傳感器信號、1 路煙霧傳感器信號的采集電路，實現(xiàn)對多種信號類型的采集與預處理。分布式監(jiān)測分站傳感器信號采集方案如圖1 所示。

2 帶式輸送機分布式監(jiān)測分站軟件設(shè)計

分布式監(jiān)控分站主要完成以下幾個功能：1）對編碼器的信號進行采集、計算和調(diào)整；2）對拉力傳感器的頻率信號進行采集和測定，并將其轉(zhuǎn)換為拉力數(shù)值；3）收集獲得6 個開關(guān)的信號；4）對測力傳感器中的模擬信號進行了采集和濾波；5）用無線方式傳輸所獲取的數(shù)據(jù)，并帶有初步的處理結(jié)果。采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、子程序化等方法對程序進行設(shè)計，以方便程序的調(diào)試與修改。在圖2 中給出了分站的主要程序流程。

圖2 分布式監(jiān)測分站主程序流程圖

1）主控程序。主控程序先對MCU 進行初始化，包括對I/O 端口、ADC、T/C、外部中斷等信息，再對各子序及中斷進行初始化調(diào)試，如此循環(huán)反復。

2）編碼器信號的獲取和速度的計算。BQH-12ZD 型編碼器具有400 脈沖/轉(zhuǎn)的分辨能力，即編碼器每轉(zhuǎn)一次可以輸出400 次的脈沖。所以，編碼器的旋轉(zhuǎn)速度只需測得脈沖的頻率即可得出。

三種編碼器的工作原理都是通過外部中斷輸入得到輸出信號，基于編碼器來獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。將T/C2 計數(shù)器設(shè)定為連續(xù)運行狀態(tài)，200 ms 為時間間隔中斷一次，然后將中斷的數(shù)量累積起來。設(shè)定一個由下降邊緣觸發(fā)的外部中斷INT0，使其在A 相位的脈沖發(fā)生下降邊緣時發(fā)生中斷。在一個中斷程序中，當一個B 相位的脈沖（PD4 端口）被檢測到是一個高電平時，該累積器會被加1；當探測到B相位的脈沖處于低水平時，將該累積器減去1。在累積器的絕對值（也就是定義的脈沖數(shù)目）為300的情況下，備份中斷，讀出T/C2 寄存器TCNT2 的數(shù)值，在主程序中計算旋轉(zhuǎn)速度。其中，編碼器轉(zhuǎn)速=300/(T/C2 兩次中斷次數(shù)之差×200 ms+TCNT2當前值×T/C2 作為基準時），編碼器轉(zhuǎn)速=脈沖頻率/編碼器分辨率。當累積器值為正值時，則該編碼器為正方向旋轉(zhuǎn)，當該累積器值為負時，則該編碼器為負方向旋轉(zhuǎn)。

3）拉力傳感器信號的采集和拉力數(shù)值的計算。AVR MCU 中的T/C1 是一種16 位增強的計時/計數(shù)器，具有捕獲功能，在測頻過程中，不僅可以用1 臺（T/C1）來實現(xiàn)周期循環(huán)的測定，同時，測定結(jié)果也具有很高的精度。拉力傳感器的觸發(fā)信號，由管腳ICP1（PD6）輸入，將T/C1 設(shè)定為傳統(tǒng)計數(shù)器模式。當ICP1 上的輸入信號由低變高時，將TCNT1 的計數(shù)值同步拷貝到寄存器ICR1，請求中斷，并由中斷程序記錄捕捉時間，在主程序中計算出張力傳感器的值。將兩個ICR1 之差與計數(shù)脈沖的周期相乘，得到輸入信號的一個周期，從而求出該信號的頻率。采用這種方法，通過對輸入信號頻率的線性變換，就可以得到傳感器的拉力值。

4）測力傳感器信號的獲取和處理。MCU 的ADC4（PA4）端口將測力傳感器的電壓信號輸入到ADC4（PA4）端口，用于對負載檢測器的模擬-數(shù)字變換。針對其測量結(jié)果易受塊狀材料撞擊而導致的擾動，提出了一種極值平均濾波算法，它不僅能消除擾動，還能過濾掉隨機擾動。

3 帶式輸送機分布式安全監(jiān)測運行機制

3.1 打滑與斷帶監(jiān)測

圖3 打滑與斷帶監(jiān)測程序流程圖

當拉力傳感器輸出的是0 Hz 的頻率信號時就證明傳感器故障。因為通常其輸出的信號頻率在200～1000 Hz 之間。但是所測拉力為0 Hz 時，傳感器還是有信號輸出的。當改向滾筒轉(zhuǎn)速檢測為0 時，并且在輸送帶沒有斷帶的情況下，就證明滾筒卡死。管理員根據(jù)實際運行中的輸送帶張力以及滑差率的變換趨勢來判斷故障是否發(fā)生或是將要發(fā)生?；盥逝c帶速的計算要依據(jù)編碼器的轉(zhuǎn)速，輸送帶張力的計算依據(jù)張緊裝置鋼絲繩拉力，計算出的數(shù)值要實時體現(xiàn)在前面板上，并且實時更新滑差率和輸送帶張力的變化曲線。當監(jiān)測參數(shù)不在正常閾值范圍內(nèi)，對應的故障指示燈亮并進行報警。

3.2 縱向撕裂監(jiān)測

縱向撕裂監(jiān)測是以輸送機運行中輸送帶是否有發(fā)生撕裂狀況為標準，以漏料與壓力的檢測結(jié)果作為判斷依據(jù)。當檢測到托輥受壓超限并持續(xù)一段時間或漏料兩種情況時則可判斷為縱向撕裂故障。在輸送帶發(fā)生撕裂前，托輥會受壓超限至少300 ms 以上，所以以300 ms 內(nèi)三組緩沖托輥所受總拉力和的積分值作為判斷輸送帶撕裂的依據(jù)[4]。當有附加壓力時，張力和的積分逐漸增大，達到最大值，直到輸送帶斷裂后，積分值開始逐漸減小，甚至由于物料泄漏，使該值小于正常值。當有附加壓力時，張力和立即增加，一段時間后由于輸送帶破裂而減少。

3.3 跑偏與堆煤監(jiān)測

堆煤與跑偏傳感器的輸出是開關(guān)信號，正常情況下傳感器輸出高電平，當輸出低電平時則證明有故障發(fā)生。正常時0x01，故障時則是0x00。輸送帶共設(shè)有6 路跑偏傳感器，分別代表機頭、機尾以及中間的左右跑偏；堆煤傳感器設(shè)有2 路，分別代表機頭堆煤和溜槽處堆煤。當某個傳感器輸出低電平即LabVIEW 讀取的數(shù)據(jù)是0x00 時，則表明有故障發(fā)生，對應的故障指示燈亮并進行報警。

3.4 火災監(jiān)測

在輸送機的傳動滾筒及驅(qū)動裝置上安置溫度與煙霧傳感器，以便于對輸送帶的火災監(jiān)測。運行中輸送帶打滑可能會導致火災，所以將溫度傳感器的報警值預設(shè)在3 檔70 ℃。當運行中傳動滾筒溫度超出預設(shè)值，溫度傳感器輸出低電平即LabVIEW讀取的數(shù)據(jù)是0x00 時，則表明有故障發(fā)生，要進行超溫報警；同樣，煙霧傳感器輸出低電平時也要進行煙霧報警。

4 可行性分析

4.1 測試方案

安全監(jiān)控軟件主要包括數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲以及故障監(jiān)控與預警。在試驗過程中，用筆記本電腦代替工控機來運行LabVIEW 監(jiān)測程序構(gòu)建一個虛擬串口，以串口調(diào)試助手為基礎(chǔ)，按照串口數(shù)據(jù)包的要求格式，向虛擬串口發(fā)送一組數(shù)據(jù)，對采集到的輸送機狀態(tài)信息進行模擬分析，然后運用設(shè)計的安全監(jiān)測程序從該虛擬串口讀取數(shù)據(jù)，并對其進行驗證。

通過試驗，分別對輸送帶的正常運轉(zhuǎn)和因張緊力不足而引起的滑移進行了模擬，并對仿真結(jié)果進行了驗證。

4.2 結(jié)果分析

假定正常運轉(zhuǎn)時，輸送帶速度為2.5 m/s，兩個傳送滾筒的直徑都設(shè)定為1 m，頭、尾轉(zhuǎn)向滾筒的直徑都設(shè)定為0.8 m。結(jié)果表明，輸送帶的拉力、滑差都在允許的合理范圍之內(nèi)，機器沒有發(fā)出警告預警，所有的參數(shù)都處于正常值。在張緊力不夠的情況下，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，對應的張緊力曲線呈下降趨勢，逐步降到張緊力的下限值以下，滑差速率逐步增加，直至升到一級的下限以上；拉力不夠、一級滑移故障指示燈亮，故障預警信號在接口上出現(xiàn)；其他各項參數(shù)都是正常的。

總之，帶式輸送機分布式安全監(jiān)測程序可以對有關(guān)故障展開監(jiān)測和預警，還可以顯示出相應的數(shù)據(jù)，基本達到了設(shè)定的目標。

5 結(jié)論

針對四臺礦帶式輸送機的輸送帶在運行中出現(xiàn)的故障，設(shè)計了安全監(jiān)測系統(tǒng)方案，結(jié)論如下：

1）研究了帶式運輸機安全監(jiān)測系統(tǒng)的硬件方案，選擇了合適的分布監(jiān)控分站，基于傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，最終確定了分站的設(shè)計方案。

2）基于串口調(diào)試助手，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M串口，對帶式輸送機正常工作和故障出現(xiàn)的兩種情況進行測試，同時對主站LabVIEW 的安全監(jiān)測程序進行了試驗。試驗結(jié)果證明：所設(shè)計的監(jiān)測程序可以實現(xiàn)對故障的判斷與預警、數(shù)據(jù)的存儲與查詢，從而達到設(shè)計目標。