夏瑞凱

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)和創(chuàng)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，山西 大同 037003）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤炭機(jī)械化、自動化生產(chǎn)的重要組成部分和核心運(yùn)輸設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要[1]。然而煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，刮板輸送機(jī)功能繁瑣、電氣控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜等眾多因素，都造成設(shè)備發(fā)生故障時，如不能及時診斷故障發(fā)生位置，不僅影響刮板輸送機(jī)的工作效率，還可能導(dǎo)致整個工作面停產(chǎn)，嚴(yán)重影響煤炭生產(chǎn)。因此，掌握設(shè)備日常運(yùn)行參數(shù)、對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，進(jìn)而完成設(shè)備狀態(tài)評估和故障診斷，具有重要意義[2-3]。

1 煤炭生產(chǎn)與刮板輸送機(jī)作用

以SGZ1250/2565 型刮板輸送機(jī)為例，其主要結(jié)構(gòu)組成分別為：液壓裝置、刮板鏈、中部槽、傳動系統(tǒng)等組成，其中電動機(jī)、減速器、液力耦合器、鏈輪軸組等為組成各個部分的重要裝置，如圖1 所示，在各個部件的有機(jī)配合下，完成煤炭的運(yùn)輸工作。同時由于設(shè)備材料、運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行時間的限制，可能會產(chǎn)生以下問題，如減速器故障（油溫高、漏油、異常振動）、電動機(jī)故障（無法啟動、溫度過高）鏈輪組故障（軸承高溫、鏈輪漏油）、刮板鏈故障（斷鏈、卡鏈）以及電氣控制部分故障等。及時識別和解決以上問題，便于最大限度減少設(shè)備停運(yùn)時間，從而降低設(shè)備故障影響，減少經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。

圖1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成

2 檢測及故障診斷系統(tǒng)整體設(shè)計

為實(shí)時掌握煤礦井下設(shè)備狀態(tài)變化情況，準(zhǔn)確判斷設(shè)備狀態(tài)并對故障情況進(jìn)行診斷，設(shè)計如圖2所示的檢測及故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)整體由地面和井下兩部分組成，分別完成故障診斷和數(shù)據(jù)采集功能。其中井下部分主要由控制模塊、傳感模塊和接口電路組成。

圖2 監(jiān)測及診斷系統(tǒng)框圖

傳感模塊主要由轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、油溫傳感器、壓力傳感器和張力傳感器等多種傳感器組成，并通過ZigBee、藍(lán)牙等形式完成數(shù)據(jù)傳輸，同時為實(shí)現(xiàn)多個傳感模塊數(shù)據(jù)的快速切換傳輸，需要設(shè)計多通道切換模塊，以完成不同數(shù)據(jù)之間的切換傳輸[6]?？刂颇K主要由輸入控制模塊完成輸入?yún)?shù)的設(shè)置；信號調(diào)理電路、電壓調(diào)理電路、控制器模塊完成對輸入信號的處理、分析；由信號輸出模塊和聲光報警模塊，完成對油溫過高、刮板機(jī)卡鏈等異常狀態(tài)的處置工作。接口電路主要完成總線數(shù)據(jù)傳輸，并由CAN、RS485 等總線完成數(shù)據(jù)幀打包，并經(jīng)由礦用路由器，傳輸給以太網(wǎng)，在上位機(jī)中完成數(shù)據(jù)讀取，并在KingView 軟件中編制故障診斷算法，完成故障診斷和分析[7]。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 控制器及傳感器選型

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，控制模塊控制器采用的是美國Microchip 公司生產(chǎn)PIC 單片機(jī)PIC16F877A，其特點(diǎn)如下：功耗低。其靜態(tài)電流一般是2 mA，睡眠狀態(tài)下可以小于1μA，損耗較??；工作電壓區(qū)間寬，可在2.0～5.5 V 內(nèi)工作；速度快。最高工作頻率可達(dá)20 Hz，每個指令周期僅有200 ns；內(nèi)部集成有10 位8 通道的高精度A/D 轉(zhuǎn)換模塊，并且集成片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，也可選擇外部的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)模擬端口不用時，可將其作為普通數(shù)字I/O 口；集成兩個CCP 模塊，可配置為Capture（捕捉）、Compare（比較）、PWM（脈寬調(diào)制）中任一種模式，亦可進(jìn)行獨(dú)立編程；自帶獨(dú)立的看門狗定時器（WDT）?？撮T狗功能可保證在芯片燒寫時由芯片的相應(yīng)配置字決定其打開或關(guān)閉，從而避免軟件出現(xiàn)死循環(huán)；不需加存儲器。有8 kB 的Flash 程序存儲空間、256 B 的EEP 數(shù)據(jù)存儲空間和368 B的RAM 數(shù)據(jù)存儲空間[8]。

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，需要對多種參數(shù)進(jìn)行測量，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，各參量的測量傳感器選型如下：本安溫度傳感器PT100（輸出制式4～20 mA）、位置傳感器（霍爾傳感器）。

3.2 多參數(shù)總線傳輸系統(tǒng)及保護(hù)

為確保RS485 總線等多路信號快速穩(wěn)定傳輸，減少傳輸帶來的信號衰減，需要使用切換時間較短、導(dǎo)通電阻較小的模擬開關(guān)芯片，其中DG453 便滿足上述要求。DG453 具有4 個獨(dú)立的可選的高電壓（44 V）SPST 開關(guān)，分別為兩個常閉和常開開關(guān)，并且每個開關(guān)具有較低的導(dǎo)通阻抗（4Ω），轉(zhuǎn)換速度快（開通和關(guān)斷速度分別為80 ns 和60 ns），芯片整體功耗?。?8 μW）。

開關(guān)的選通邏輯如下，當(dāng)輸入（IN1、IN4）為高電平時，S1和S4均處于開通狀態(tài)，輸入（IN2、IN3）為低電平時，S2、S3均處于關(guān)斷狀態(tài)。對于多路總線系統(tǒng)來說，通常處于單路選擇狀態(tài)，同時空閑通道接高電位，以防止異常電壓對通信總線影響。

同時考慮到煤礦井下電磁、溫濕度等綜合環(huán)境復(fù)雜，為保證通信數(shù)據(jù)傳輸，需要對通信電路進(jìn)行保護(hù)處理，如圖3 所示。通過在總線兩端并聯(lián)二極管、串聯(lián)保護(hù)電阻，保證設(shè)備在過電流或過電壓等異常狀態(tài)下，將通信電路隔離，并保證電路其他部分不受到損壞，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[9]。

圖3 多通道切換電路及通信保護(hù)電路

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 基于D-S 組合的故障診斷的算法

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)備故障診斷，需要利用多種傳感器的實(shí)時參數(shù)進(jìn)行分析、匯總，其中D-S理論通過建立命題與集合之間的對應(yīng)關(guān)系，利用集合的不確定性問題解決命題的不確定性問題。

轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等不同位置、不同物理參量的傳感器經(jīng)過預(yù)處理器計算完成基本概率賦值函數(shù)、信度函數(shù)和似然函數(shù)等重要參量計算，獲得最優(yōu)決策（故障原因）[10]。

4.2 檢測與故障診斷系統(tǒng)軟件流程

為實(shí)現(xiàn)煤礦井下數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞和快速故障診斷，煤礦井下主站分析單元（礦用路由器控制單元）和分站單元（控制模塊）的數(shù)據(jù)傳輸流程至關(guān)重要。其中，主站分析單元工作時，發(fā)送分站監(jiān)控單元地址、校驗(yàn)幀、控制參數(shù)等關(guān)鍵字節(jié)信息，若分站數(shù)據(jù)仍未到達(dá)則進(jìn)行等待，否則完成主站單元數(shù)據(jù)更新并通過以太網(wǎng)傳輸、軟件算法配合等，完成故障診斷。數(shù)據(jù)傳輸分站默認(rèn)進(jìn)入靜默模式，當(dāng)收到主站發(fā)送的地址幀和校驗(yàn)幀時，更新控制參數(shù)，并控制傳感器完成多通道數(shù)據(jù)采集，從而完成監(jiān)控、檢測操作，待完成周期采集后，將數(shù)據(jù)打包，并完成監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送，等待主機(jī)接收。系統(tǒng)監(jiān)控及分析單元工作流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控及分析單元工作流程

5 結(jié)語

通過對刮板輸送機(jī)運(yùn)行環(huán)境和結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，完成了地面、井下的雙層檢測和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計。硬件電路方面，完成進(jìn)行控制系統(tǒng)CPU 選型、傳感器選型和多通道傳感器切換方案設(shè)計；軟件方面，利用D-S 系統(tǒng)基本理論，完成多種故障診斷系統(tǒng)設(shè)計，降低了生產(chǎn)風(fēng)險，減少了故障消除時間，增強(qiáng)了煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。