刮板輸送設(shè)備動力部工況監(jiān)測及故障報警裝置研究

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煤礦綜采輸送設(shè)備智能制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室 □渠婷婷 劉宏飛 王金平

山 東 能 源 集 團 有 限 公 司 □亓玉浩

刮板輸送設(shè)備動力部工況監(jiān)測及故障報警裝置研究， 滿足客戶對于刮板輸送設(shè)備動力部工況運行參數(shù)的在線監(jiān)測， 包括減速器油溫、 油位、油質(zhì)、 水溫、 水壓、 水流量、 高低速軸軸承溫度、 電機軸承、 繞組溫度、 軸承振動、 電機轉(zhuǎn)速等， 實現(xiàn)對刮板運輸設(shè)備動力部運行狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測。 同時， 系統(tǒng)外設(shè)聲光報警、 急停閉鎖裝置， 當出現(xiàn)故障時及時報警， 更直觀提醒操作人員， 通過急停閉鎖按鈕緊急停機， 有效的避免事故發(fā)生， 滿足煤礦智能化建設(shè)要求。 目前刮板機監(jiān)測系統(tǒng)每個動力部均需要一臺控制器進行數(shù)據(jù)的接收和顯示， 存在的問題主要包括: 1) 監(jiān)測數(shù)據(jù)相對單一; 2) 沒有聲光報警， 顯示報警界面不能有效提醒操作人員， 人機交互效果差;3) 控制器體積大、 重量大， 造成安裝維修耗費大量的人力成本。 為了提升產(chǎn)品競爭力， 迎合市場需求， 滿足智能化礦山建設(shè)要求， 本文闡述研發(fā)一種新型輸送設(shè)備動力部工況監(jiān)測及故障報警裝置， 擴展監(jiān)測點位數(shù)量， 重新優(yōu)化設(shè)計控制器外觀， 同時減少控制器的體積重量的內(nèi)容。 采用外設(shè)聲光報警、 急停閉鎖裝置， 將故障報警信息第一時間傳遞給工作人員， 及時發(fā)現(xiàn)并處理故障并能夠?qū)崿F(xiàn)本地緊急停機。 本論文所闡述設(shè)計的動力部工況監(jiān)測及故障報警裝置， 很好的解決了目前監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題。

(1) 系統(tǒng)硬件平臺

系統(tǒng)的硬件平臺主要包括: 防爆外殼、 傳感器部分、 數(shù)據(jù)采集與處理、 隔離模塊部分、 PLC控制部分、 聲光報警、 人機界面、 急停閉鎖裝置等。 原理框圖如圖1 所示:

圖1 系統(tǒng)硬件平臺原理圖

1) 防爆外殼

防爆外殼采用礦用隔爆兼本安型結(jié)構(gòu)設(shè)計，隔爆部分采用Q345A 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材料制造而成， 本安部分則采用不銹鋼材料制造。 防爆外殼通過減少板厚和大小， 從而減少該裝置的體積和重量， 大大削減了井下設(shè)備安裝維修煤礦工人的工作量。 原來的防爆外殼本安部分與隔爆部分的材質(zhì)與板厚沒有區(qū)別， 增加了控制器的體積和重量， 本文闡述所設(shè)計的防爆外殼對結(jié)構(gòu)部分進行了優(yōu)化， 防爆外殼重量減少52%。

2) 傳感器部分

傳感器主要包括溫度、 壓力、 流量、 振動、頻率、 轉(zhuǎn)速等傳感器。 這些信號主要包含PT100、 4-20mA， 0-5V、 0-10V 的信號。 溫度傳感器選用PT100 作為測溫元件， 通過外界溫度引起的電阻變化， 信號通過處理器模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號對外傳輸， 傳感器量程為(0～200℃)， 用來測試水溫、 軸溫、 油溫等。 壓力傳感器選用壓敏電阻作為測壓元件， 外界壓力引起的壓敏電阻電路中的電流信號通過處理器模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號對外傳輸， 傳感器量程為(0～5Mpa)， 用來測試水壓。 流量信號為4～20mA 信號， 用來測試冷卻水流量。 傳感器信號通過工況監(jiān)測裝置的快插口和喇叭口進線， 接入到數(shù)據(jù)采集與處理部分。 動力部監(jiān)測系統(tǒng)通過刮板輸送設(shè)備減速器、電機等關(guān)鍵零部件內(nèi)置的傳感器判斷設(shè)備的運行狀態(tài)， 當實時監(jiān)測值超過閾值時， 人機界面和語音部分會即時發(fā)出報警提示， 提醒工作人員關(guān)注設(shè)備的運行狀態(tài)， 必要時停機檢查。

3) 數(shù)據(jù)采集與處理部分

數(shù)據(jù)采集與處理部分是指通過各種傳感器采集和記錄各種模擬量信號、 數(shù)字量信號， 并對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析的過程。 傳感器采集到的數(shù)據(jù)需要進行處理和分析， 以便判斷設(shè)備是否存在故障。 本文采用電路板進行數(shù)據(jù)采集和處理，通過AD 轉(zhuǎn)換器將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 并存儲到內(nèi)部存儲器中。 監(jiān)測裝置還具備對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和采集的能力， 以確保數(shù)據(jù)的準確性和及時性。 在數(shù)據(jù)處理方面， 監(jiān)測裝置需要具備對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析的能力， 這包括對數(shù)據(jù)進行濾波、 去噪、 校準等處理， 以及對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析， 提取有用的信息和特征。 同時， 數(shù)據(jù)采集與處理部分還需要具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ?以便將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 進行進一步的分析和應用。

4) 隔離模塊部分

由于動力部監(jiān)測及故障報警裝置為隔爆兼本安結(jié)構(gòu)， 所以需要對隔爆信號與本安信號做隔離。 隔離模塊部分主要分為四部分: 模擬量輸入隔離、 數(shù)字量輸入隔離、 數(shù)字量輸出隔離、 通訊隔離。 所有隔離模塊都做成獨立的電路板， 方便檢測及更換。 PT100、 4mA～20mA、 0V～5V、 0V～10V這四種模塊量信號、 數(shù)字量輸入信號用線性光耦進行隔離; 數(shù)字量輸出部分用繼電器隔離; RS485信號用高速光耦進行隔離， 以盡量提高通訊波特率。 RS485 隔離選擇合適的光耦和外圍元件就可以控制波特率在可接受的范圍之內(nèi)， RS485 隔離電路的難點在于收發(fā)的控制及轉(zhuǎn)換， 在設(shè)計過程中要用單片機接收轉(zhuǎn)發(fā)的方式進行隔離。

5) PLC 控制部分+顯示系統(tǒng)

控制部分采用PLC 做邏輯計算、 通訊處理。刮板輸送設(shè)備關(guān)鍵零部件安裝的傳感器通過快插電纜將信號接入動力部工況監(jiān)測及故障報警裝置， 數(shù)據(jù)先進入數(shù)據(jù)采集與處理部分， 處理為數(shù)字量信號后通過以太網(wǎng)方式傳輸給PLC， PLC系統(tǒng)通過CPU 的數(shù)據(jù)處理后， 然后根據(jù)預設(shè)的算法進行數(shù)據(jù)的邏輯分析， 判斷設(shè)備是否存在故障。 如果設(shè)備存在故障， 則觸發(fā)故障診斷與報警模塊進行報警提示， 最后進行顯示、 存儲、 控制等輸出。 顯示系統(tǒng)由觸摸屏完成， 通過對觸摸屏組態(tài)編程， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示和報警。 PLC控制部分集成多種通訊協(xié)議， 包含Modbus RTU、 Modbus TCP、 TCP/IP、 CAN open 等多種通訊協(xié)議。

6) 聲光報警部分

當設(shè)備出現(xiàn)故障時， PLC 發(fā)送報警提示給聲光報警部分。 本裝置采用LED 燈和語音模塊配合進行報警提示， 當PLC 診斷出設(shè)備存在故障時， 會控制LED 燈亮起， 并同時觸發(fā)語音模塊傳輸語言信號經(jīng)揚聲器進行報警。 同時， PLC控制部分還會通過串口將故障信息傳輸?shù)缴衔粰C， 以便進行更為詳細的故障診斷和處理。

7) 急停閉鎖裝置

控制器外部設(shè)有緊急停機閉鎖裝置， 第一時間將設(shè)備故障報警狀態(tài)反映給使用操作人員并能夠在本地操作緊急停機。

(2) 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)控制、 數(shù)據(jù)存儲、 數(shù)據(jù)分析等模塊。

1) 數(shù)據(jù)控制模塊

系統(tǒng)集成控制算法， 主要功能是實現(xiàn)實時監(jiān)測、 控制、 邏輯分析。 當系統(tǒng)判斷設(shè)備油位過低、 溫度超限、 壓力太大、 鏈條過松， 系統(tǒng)會自動發(fā)出預警信號， 提醒操作人員及時進行維護和更換。

2) 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊用于將處理后的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中， 以備后續(xù)分析和查詢。

3) 數(shù)據(jù)分析模塊

輸送設(shè)備在線故障診斷模塊就是針對成套刮板輸送設(shè)備開發(fā)的故障診斷分析系統(tǒng)。 該模塊依據(jù)設(shè)備現(xiàn)有實時監(jiān)測數(shù)據(jù)完成相關(guān)診斷工作。 數(shù)據(jù)庫中集成各種機械結(jié)構(gòu)的屬性、 問題產(chǎn)生機理、 解決辦法分類整理， 納入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)分析模塊提供依據(jù)， 從而找到設(shè)備異常的原因所在， 這就大大降低了設(shè)備維護的難度， 實現(xiàn)在線監(jiān)測與故障報警， 提高了設(shè)備維護的效率和準確性， 給用戶提供了設(shè)備維護建議實現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理。

本文主要研究了刮板輸送設(shè)備動力部工況監(jiān)測及故障報警裝置的設(shè)計與實現(xiàn)。 通過選擇合適的傳感器、 數(shù)據(jù)采集與處理、 隔離模塊、 PLC控制、 故障診斷與報警等方面的設(shè)計， 能夠有效地監(jiān)測刮板輸送設(shè)備的工作狀態(tài)， 并及時報警提示故障， 具有良好的實用性和可靠性。 該裝置能夠提高設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)效率， 具有廣泛的應用前景。