煤礦膠帶輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計研究

李淵

山西焦煤西山煤電斜溝礦 山西 興縣 035300

隨著采煤方法及技術(shù)的不斷發(fā)展，礦用機(jī)械設(shè)備自動化水平也得到發(fā)展。對于礦用膠帶輸送機(jī)而言，在長期高載荷、高速度的運(yùn)行下，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、斷帶、打滑等故障[1-2]。針對此現(xiàn)象，許多學(xué)者進(jìn)行了監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，從已有研究來看，監(jiān)測監(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，且工人維修操作起來困難較大，維修時間過長影響了生產(chǎn)的進(jìn)行[3-5]。本文對輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在算法基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了故障信息的準(zhǔn)確判斷，且在現(xiàn)場調(diào)試中取得了成功，值得大力推廣。

1 膠帶輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

礦用膠帶輸送機(jī)是礦井煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾獧C(jī)械設(shè)備，在長期高速承載的運(yùn)行下，輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、打滑、撕裂等故障，嚴(yán)重影響到生產(chǎn)的進(jìn)行，為此，對膠帶輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計就顯得尤為重要。

因?yàn)榫驴臻g有限，開采環(huán)境惡劣，對于輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計必須滿足以下條件:

（1）監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計必須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)測監(jiān)控系統(tǒng)需具備實(shí)時監(jiān)測和顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，且系統(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)計需經(jīng)濟(jì)合理，適應(yīng)礦井開采條件。

膠帶輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，硬件設(shè)計的核心是監(jiān)測主機(jī)，其負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測采集，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)如下：采用Inter1NM10處理器，Dual-Core 1.6GHz/1.86 GHz的主頻，4GB的內(nèi)存，128GB的固態(tài)硬盤，12VIA的電源和7W的功耗，主板尺寸為148×101mm。

對于軟件設(shè)計，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)計穩(wěn)定可靠的軟件模塊。本文軟件的設(shè)計依賴于LabVIEW 軟件平臺，設(shè)計了監(jiān)測控制的人機(jī)界面，通過人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和調(diào)控，提供了自動化水平。

分配方法如下：上位機(jī)對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，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)備自動修改為1，此后設(shè)備數(shù)據(jù)傳送至下個沿線設(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。

如果數(shù)據(jù)檢驗(yàn)失敗，則本機(jī)設(shè)備向上一級設(shè)備反饋錯誤，上級設(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，如果4次后下級設(shè)備數(shù)據(jù)檢驗(yàn)依舊錯誤，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。

圖1 膠帶輸送機(jī)地址自動分配流程圖

對于人機(jī)界面的顯示以主控窗口為例，輸送機(jī)人機(jī)界面顯示窗口的顯示內(nèi)容如下：

（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三種模式，各個模式下都有相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，操作人員只需根據(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）膠帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中溫度、速度等參數(shù)都會實(shí)時顯示，對于跑偏等故障也會實(shí)時顯示，操作人員可以根據(jù)顯示界面顯示的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)等調(diào)節(jié)。

2 故障診斷方法研究

膠帶輸送機(jī)常見的故障主要包括設(shè)備的磨損、高溫?fù)p壞等，對于故障信息的診斷可通過電流振動信號解決，本文針對相對較為復(fù)雜的電流振動信號進(jìn)行信號濾波、特征提取等操作，實(shí)現(xiàn)對故障類型的智能識別。

以礦井膠帶輸送機(jī)為例，設(shè)備運(yùn)行過程中軸承轉(zhuǎn)速達(dá)到64r/min，對設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為2000Hz，共采集10000個采樣點(diǎn)。得到圖3中（a）圖所示的波形實(shí)測圖，從圖中可以看出，采集到的信號振動復(fù)雜，故障特征信號完全融入在波形圖中，因此需要進(jìn)行降噪處理，得到圖3中（b）圖所示降噪后的波形圖，對于降噪處理，利用EEMD算法將噪音值降低為采集信號值的0.19倍，通過150次的分解，得到15個不同尺度的特征頻率分量，對于特征頻率分量相關(guān)系數(shù)大于0. 分離降噪信號后的波形圖1的信號進(jìn)行重構(gòu)，剩余特征頻率分量重構(gòu)得到虛擬噪音信號，得到圖3中（c）圖所示的，至此，實(shí)現(xiàn)了信號和噪音的分離工作。結(jié)合本次信號分析，可得到膠帶輸送機(jī)外圈故障的頻率為9.5Hz，內(nèi)圈故障頻率為12.4Hz，滾動體故障頻率為4Hz。

圖3 時域波形圖

3 調(diào)試應(yīng)用

基于上述膠帶輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和故障診斷分析，進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)用。現(xiàn)場調(diào)試主要針對自動地址排序功能的調(diào)試、故障定位功能調(diào)試、參數(shù)設(shè)置功能調(diào)試三部分。對于自動地址排序功能的調(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)了排序失敗現(xiàn)象，通過檢查發(fā)現(xiàn)是RS485通訊程序紊亂造成，設(shè)備之間通訊錯誤使得程序發(fā)送錯誤，出錯后的程序一直發(fā)送導(dǎo)致總線被占，進(jìn)而出現(xiàn)信息上傳錯誤現(xiàn)象，通過對通訊程序的修改，實(shí)現(xiàn)了自動排序功能的穩(wěn)定運(yùn)行。

對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)行測量，測量頻率范圍為300-1000Hz，測量信號以直流電形式輸出，通過該方法對運(yùn)行過程中膠帶輸送機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，通過人機(jī)界面上設(shè)備故障診斷顯示信息，發(fā)現(xiàn)對于故障診斷的定位精確度極高，可靠性高。

對于參數(shù)設(shè)置功能的調(diào)試，主要包括對輸送機(jī)參數(shù)、配電箱參數(shù)的設(shè)置，在現(xiàn)場參數(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

本文針對現(xiàn)有礦用膠帶輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的不足，進(jìn)行了監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，此外，在故障診斷方法研究的基礎(chǔ)上，順利得到了膠帶輸送機(jī)外圈故障頻率、內(nèi)圈故障頻率和滾動體故障頻率，通過現(xiàn)象測試調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了自動排序功能的穩(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，證明了此次優(yōu)化方案的成功性。