石 磊

(西山煤電集團公司西曲礦選煤廠，山西 古交 030200)

0 引言

煤炭作為我國長期以來消耗占比最多的能源，其生產(chǎn)與處理一直廣受國家與國民的關注。隨著近幾年國家推出一系列環(huán)境治理措施后，對煤炭開采后的處理技術要求也越來越高[1-2]。選煤是利用機械加工或物理化學處理方法來清除原煤中雜質的過程，其目的是改善煤的質量，以滿足不同用戶的需求[3]。選煤過程極其復雜，需要用到很多機械設備，其中就包括破碎機[4-5]。破碎機主要是對較大的原煤進行破碎處理，由于其負載很不均勻[6-8]，工況不穩(wěn)定，設備在運行過程中容易發(fā)生故障，導致破碎質量下降或影響選煤過程，降低效率，甚至危及工人的安全；而國內(nèi)對選煤廠破碎機的故障監(jiān)測所做的研究不多，研制設計一種監(jiān)視、檢查破碎機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的必要性。

1 系統(tǒng)總體方案設計

主要對選煤廠廣泛采用的齒輥式破碎機進行設計[9-10]。齒輥式破碎機主要由電機、皮帶、主軸承、從動齒輥和粉碎棒組成。在設備工作時，由電機將轉速與扭矩傳遞給皮帶主動輪，經(jīng)過皮帶傳動降低轉速，增大扭矩后，傳遞給從動齒輥和粉碎棒，進而對物料進行破碎。綜合分析其工作環(huán)境與設備特點，總結出破碎機3種主要故障類型，即電機故障、皮帶故障和主軸承損壞。

破碎機由于其工作時所受負載不均勻，當物料中有矸石時，設備容易受到損壞，而電機故障的主要原因是機箱溫度過高和電壓波動，因此本系統(tǒng)通過采集機箱溫度和電機電壓來判斷電機是否出現(xiàn)故障。皮帶故障的主要原因是設備工作時由于工況惡劣，使皮帶與軸承在高速轉動的情況下磨損嚴重，與各零部件之間的摩擦產(chǎn)生大量熱量，導致皮帶自身性能下降，傳動時皮帶可能發(fā)生斷裂，因此，通過采集皮帶的溫度信號與壓力信號判斷皮帶是否出現(xiàn)故障。主軸承損壞將直接導致其在工作時溫度異常升高，所以本系統(tǒng)通過采集其溫度信號判斷主軸承是否損壞。

設計的破碎機故障在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由選煤廠監(jiān)控中心、監(jiān)測器和數(shù)據(jù)采集單元組成。數(shù)據(jù)采集單元負責采集皮帶的溫度信號與壓力信號，經(jīng)過監(jiān)測器處理分析判斷故障類型并將數(shù)據(jù)與結果通過CAN總線的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，由工作人員統(tǒng)一調度指揮。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 硬件總體方案設計

綜合對比了市面上幾種常見的數(shù)字處理器，最終決定選擇DSP芯片作為本系統(tǒng)的核心處理器。該芯片采用流水線處理的方式，可并行執(zhí)行多個操作，提高了其數(shù)字信號實時處理能力。由于近幾年科學技術的飛速發(fā)展，各領域對處理器的性能要求越來越高，DSP芯片在工程控制與監(jiān)測領域和計算機等領域得到了廣泛的應用。破碎機故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要組成部分有DSP處理器、通信電路、存儲擴展電路、鍵盤及顯示電路、數(shù)據(jù)采集電路、電源電路和DSP的外圍電路等。系統(tǒng)的硬件整體設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件整體設計

2.2 DSP芯片選型

在對DSP芯片選型時，主要考慮了芯片運算速度、芯片內(nèi)部提供的硬件資源、芯片開發(fā)擴展能力。在綜合對比分析TI公司的幾款主流DSP芯片后，最終決定采用型號為TMS320F2812的芯片作為系統(tǒng)的核心處理器。TMS320F2812芯片是一種高性能、低功耗的數(shù)字信號處理器，由于其具有較高的性價比，所以迄今為止是在工程控制與監(jiān)測領域應用范圍最廣的DSP芯片之一。在TMS320C28x系列之上，該芯片的內(nèi)核擴展集成了大量外設，其處理速度最高可達150 MIPS，在單個指令周期內(nèi)可以計算一次乘法和加法運算；芯片內(nèi)部具有12位的AD轉換器；在編程方面，可采用統(tǒng)一匯編語言C/C++進行開發(fā)，TI公司為用戶提供了良好的開發(fā)環(huán)境。

2.3 外圍電路設計

DSP芯片電源電路：TMS320F2812芯片的供電方式相較于其他型號復雜一些，芯片的內(nèi)核電壓和I/O電壓對電源的要求不同，內(nèi)核電壓供電電壓需要3.3 V，I/O接口供電電壓需要1.9 V，這樣也有效降低了芯片的能耗。本系統(tǒng)最終采用分別對其供電的方式實現(xiàn)電平的轉換，DSP芯片的電源電路如圖3所示。其中上半部分電路采用TPS75733芯片將+5 V電壓轉換為+3.3 V，向片內(nèi)一路電源電壓為+3.3 V，為FLASH、ROM存儲器等提供能源；下半部分電路采用TPS76801Q芯片將+5 V電壓轉換為+1.9 V，為I/O接口提供工作電壓。

外部復位電路：由于時鐘頻率較高，DSP系統(tǒng)在工作時可能會受到干擾，所以需要設計一個外部的復位電路，保證系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)TPS3823-33芯片實現(xiàn)系統(tǒng)的復位功能，除此之外TPS3823-33芯片還可以初始化DSP系統(tǒng)電路，并對其進行定時監(jiān)測和手動復位。系統(tǒng)的復位電路如圖4所示。

圖3 DSP電源電路

圖4 復位電路示意圖

2.4 通信電路設計

TMS320F2812芯片內(nèi)部具有CAN控制器，在接入到CAN總線系統(tǒng)時不需要設計底層協(xié)議，所以本系統(tǒng)監(jiān)測器與監(jiān)控室上位機之間的通信方式選擇為CAN總線。本系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的SN65HVD-230收發(fā)器作為CAN控制器與物理總線的接口。該收發(fā)器是與DSP芯片相配套的CAN總線收發(fā)器，與芯片內(nèi)核相同采用3.3V電壓供電，具有通信距離遠，抗干擾能力強，傳輸信號穩(wěn)定等的特點。為了降低功耗，收發(fā)器具有高性能模式、低功耗模式和休眠模式等3種模式。TMS320F2812芯片內(nèi)的控制器在使用收發(fā)器SN65HVD230的情況下，其傳輸速度最高可達1 Mbit/s。系統(tǒng)的串口通信電路如圖5所示，為了減少長距離傳輸所帶來的干擾，在線路兩端并聯(lián)了一個電阻。

圖5 串口通信電路

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)可實現(xiàn)破碎機的在線監(jiān)測功能，軟件的主程序流程圖如圖6所示。首先對系統(tǒng)上電初始化，其中包括時鐘信號，通訊模塊，處理器單元，傳感器的初始化。在初始化結束后系統(tǒng)需要自檢，當自檢出錯時，報錯并調用處理子程序或者人工處理。當系統(tǒng)可以正常工作后，首先調用通訊子程序，可以實時通過CAN總線的方式將監(jiān)測器的數(shù)據(jù)與結果傳輸?shù)奖O(jiān)控室，然后開始采集數(shù)據(jù)，包括電機、皮帶和主軸承的工作信號，經(jīng)過調制解調與數(shù)據(jù)處理，調用存儲子程序，將數(shù)據(jù)儲存到存儲器，以作備份，之后將數(shù)據(jù)與參考值比較，判斷是否故障、故障類型與故障部位，當大于參考值時，系統(tǒng)調用子程序進行報警并通過人機交互界面顯示其詳細信息，必要時進行停機處理。

圖6 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 結語

國內(nèi)大多數(shù)選煤廠對破碎機故障的判斷來源是人的主觀經(jīng)驗，對設備缺乏有效監(jiān)管，不能及時對故障進行維修。本文所設計的破碎機在線監(jiān)測系統(tǒng)，分析了破碎機容易出現(xiàn)故障的電機、皮帶和主軸承，設立了電壓傳感器和電流傳感器來實現(xiàn)3個零部件的信號采集，經(jīng)過處理器分析判斷其是否故障和故障類型等。該系統(tǒng)的運用將提供一種客觀的破碎機故障判斷方法，提高故障的處理效率，并對事故的發(fā)生起到預警的作用，節(jié)約人力成本，保障選煤廠生產(chǎn)效率與工人的人身安全。