馮　亮

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046100)

長(zhǎng)距離帶式輸送系統(tǒng)是由多段膠帶輸送機(jī)連接而成,在輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下,輸送帶經(jīng)常性產(chǎn)生跑偏、堆料、打滑、撕裂、堵塞等諸多故障現(xiàn)象[1-2],沿線分布的各類保護(hù)裝置會(huì)對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行保護(hù)。目前,各類故障保護(hù)裝置多數(shù)采用開關(guān)節(jié)點(diǎn)輸出,不具備位置識(shí)別功能,如果出現(xiàn)故障,查找準(zhǔn)確位置將耗費(fèi)較多時(shí)間,降低生產(chǎn)效率。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠更加精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到膠帶的跑偏問題,工人可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理問題,節(jié)約時(shí)間并且避免造成重大經(jīng)濟(jì)損失[3]。

1　帶式輸送機(jī)跑偏原理

帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí),其傳遞動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)滾筒同輸送帶之間摩擦力提供,由歐拉公式——撓性摩擦體傳動(dòng)可知,輸送帶在整個(gè)圍包弧上置于極限狀態(tài)情況下,相遇點(diǎn)最大張力Sym同分離點(diǎn)的張力Sl,之間關(guān)系可表示為:

Sym=Sl·ef·αm.

(1)

式中:f為摩擦系數(shù);αm為圍包角,(°);Sl為分離點(diǎn)的張力,N。

如要保證輸送帶不打滑,那么相遇點(diǎn)處張力應(yīng)符合公式(2):

Sy=Sl·ef·α≤Sym.

α≤αm.

(2)

式中:α為利用弧對(duì)應(yīng)之圓心角,(°)。

由于存在各種因素干擾,在實(shí)際工作中,α、Sl一般都隨著距輸送帶一側(cè)距離x的變化而變化,靠近點(diǎn)張力如下:

Sy(x)=Sl(x)·ef·α(x).

(3)

以托輥舉例,理想狀態(tài)下:假定輸送帶質(zhì)地均勻、外形連續(xù),而且材料特性各向同性,令其剛度系數(shù)為k。那么,托輥兩側(cè)的張力差S(x)與變形量y(x)可表示為:

S(x)=Sl(x)[ef·α(x)-1].

(4)

y(x)=S(x)/k=Sl(x)[ef·α(x)]/k.

(5)

式中:k為輸送帶的剛度系數(shù)。

現(xiàn)在討論距輸送帶一側(cè)為x、寬度為dx的微元輸送帶的受力與變形情況，見圖1。就微元段而言,兩端的變形增量差可由下式微分得出:

dy=Adx.

(6)

(7)

圖1　微元受力與變形情況圖Fig.1　Force and deformation of microelement

由假設(shè)可知,微段dx在l方向上被拉長(zhǎng),相應(yīng)增量設(shè)為dl,那么,由于伸長(zhǎng)而引起的力dF分別可表示為:

dl=B·dx.

(8)

dF=kdl=kBdx.

(9)

dF在托輥寬度方向上的分量可由公式(9)并結(jié)合微元受力圖1和公式(8)求出:

(10)

對(duì)公式(9)在托輥寬度方向上進(jìn)行積分,便可求出膠帶跑偏的力Fx,方向指向張力大的一側(cè):

(11)

式中:b為寬度方向上變量。

綜上可知,輸送帶跑偏的本質(zhì)原因?yàn)檩斔蛶艿暮狭?方向偏離中心線的方向,即輸送帶張力中心線偏離其幾何中心線,由于輸送帶受到一個(gè)側(cè)向力,當(dāng)三聯(lián)托輥中的兩側(cè)托輥在輸送帶上的作用力不等時(shí)即出現(xiàn)輸送帶跑偏[4]。

以上便是主要跑偏原因,同時(shí)還有驅(qū)動(dòng)滾筒與非驅(qū)動(dòng)滾筒的平行度不夠,輸送帶的張緊力不足而使輸送帶過松,機(jī)架的安裝強(qiáng)度不足而使運(yùn)行時(shí)機(jī)架不穩(wěn)等原因也會(huì)造成帶式輸送機(jī)跑偏。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

考慮煤礦企業(yè)特殊條件,基于現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式,結(jié)合當(dāng)下流行的工業(yè)CAN總線通信系統(tǒng)的模式,從三個(gè)方面設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。上層為用于監(jiān)控的現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī),安裝于工控PC機(jī)中,中間層為系統(tǒng)的通信協(xié)議與硬件設(shè)備,下層為下位機(jī),即實(shí)際進(jìn)行故障檢測(cè)與實(shí)現(xiàn)控制功能的多種傳感器;各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用獨(dú)立的下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控,所有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(跑偏、堆料、打滑、撕裂等)直接集中進(jìn)入數(shù)據(jù)系統(tǒng),進(jìn)而匯集到上位機(jī),上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理,將結(jié)果顯示在其人機(jī)交互界面,且上位機(jī)和下位機(jī)互為復(fù)核。如發(fā)生故障,顯示故障類型與位置,并給出故障提示,系統(tǒng)可通過自帶的繼電器控制系統(tǒng)停止運(yùn)行,也可將信息送給上位機(jī)進(jìn)行集中控制。系統(tǒng)內(nèi)輸送機(jī)保護(hù)開關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)由一臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行管理,任何一個(gè)保護(hù)開關(guān)動(dòng)作,其信息都會(huì)記錄在上位機(jī)內(nèi)。由于系統(tǒng)采用的CAN總線為開放的互聯(lián)系統(tǒng),并且設(shè)置了中繼放大器,當(dāng)輸送機(jī)數(shù)量多于3條時(shí),系統(tǒng)仍然使用,且性能穩(wěn)定可靠。

3　硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

3.1　硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中,下位機(jī)微處理器經(jīng)過多方比較,選擇STM32F105芯片,此為ST公司專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核,且自帶2個(gè)CAN控制器,使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。

CAN控制器是CAN局域網(wǎng)控制器的簡(jiǎn)稱,為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線[5]。CAN最高可提供1 Mbit/s的波特率,較容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。此外,硬件的錯(cuò)誤鑒定特性也增加了CAN通信的抗電磁干擾能力。

STM21F105內(nèi)含備用電源Vbat,在主電源失效后起作用,為實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、后備寄存器組和振蕩器提供不間斷電源。

3.2　軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)綜合比較了C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、PL/M編程語(yǔ)言、BASIC編程語(yǔ)言,經(jīng)比較分析四種語(yǔ)言優(yōu)劣勢(shì)后認(rèn)為,C語(yǔ)言作為一種非常方便的編程語(yǔ)言,程序本身不依附于下位機(jī)硬件系統(tǒng)[6],基本上不做刪改就可根據(jù)單片機(jī)的不同較快地進(jìn)行移植,故選擇C語(yǔ)言進(jìn)行編程。開發(fā)環(huán)境采用Keil公司開發(fā)的Keil C51軟件。跑偏故障監(jiān)控軟件程序框圖,見圖2。

圖2　跑偏故障監(jiān)控軟件程序框圖Fig.2　Flow diagram of monitoring software for running deviation

關(guān)于打滑及撕裂故障的監(jiān)控軟件,其設(shè)計(jì)原理與跑偏故障的監(jiān)控及處理方式大致相同。

4　上位機(jī)設(shè)計(jì)

組態(tài)王作為一種主流應(yīng)用軟件,有較友好的人機(jī)界面,為用戶提供了海量的設(shè)計(jì)工具、便利的集成開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)上位機(jī)是基于組態(tài)王二次開發(fā)而來,具有界面顯示、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、自動(dòng)報(bào)警、存儲(chǔ)和查詢、用戶管理等功能,軟件系統(tǒng)功能框圖見圖3。

圖3　軟件系統(tǒng)功能框圖Fig.3　Software system functional diagram

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。管理人員通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出控制命令,實(shí)現(xiàn)隨輸送系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。主要有:①控制帶式輸送機(jī)電機(jī)的啟停；②調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度,控制輸送量的大??；③識(shí)別膠帶跑偏點(diǎn),進(jìn)行故障定位并且根據(jù)跑偏量進(jìn)行一定操作。

5　結(jié)束語(yǔ)

以帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為重點(diǎn),根據(jù)輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況,技術(shù)要求以及主要故障分析,設(shè)計(jì)了以CAN總線為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)和功能性的上位機(jī)監(jiān)控畫面。有效地對(duì)帶式輸送機(jī)中的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示和顯控,對(duì)所有正在或已經(jīng)發(fā)生故障的情況,進(jìn)行有效分析處理,并可實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)定位,對(duì)煤礦高效、安全生產(chǎn)有一定實(shí)際意義。