史瑞鵬

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 機(jī)電處，山西 太原 030002)

防爆橋式起重機(jī)符合JB/T 5897—2014《防爆橋式起重機(jī)》、GB/T 3836.1—2000《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》、GB/T 3836.2—2000《爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備隔型電氣設(shè)備“d”》標(biāo)準(zhǔn)，具有可靠性高、安全性好、防爆性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于煤礦開采、石油化工等領(lǐng)域[1].防爆橋式起重機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境惡劣、作業(yè)連續(xù)性強(qiáng)、起重量大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)易發(fā)生故障引發(fā)事故。建立并完善防爆橋式起重機(jī)故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，保障設(shè)備作業(yè)的安全可靠性具有重要意義。崔英等[2]基于故障樹分析法構(gòu)建橋式起重機(jī)故障層次結(jié)構(gòu)模型并應(yīng)用專家系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行定量分析，但該方法對(duì)原始數(shù)據(jù)的依賴性強(qiáng)且要求數(shù)據(jù)量大，否則會(huì)影響故障定量分析結(jié)果。宋銀芳[3]應(yīng)用變分模態(tài)分解方案實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)故障診斷并搭建了故障監(jiān)測平臺(tái)，但僅考慮了故障發(fā)生率較高的主要故障，需進(jìn)一步完善。綜合利用故障診斷技術(shù)、故障預(yù)警技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建基于無線傳輸?shù)姆辣瑯蚴狡鹬貦C(jī)故障分級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防爆橋式起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)在現(xiàn)場、手機(jī)端、遠(yuǎn)程端的安全傳輸，達(dá)到實(shí)時(shí)故障診斷、分級(jí)預(yù)警、安全生產(chǎn)的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 防爆設(shè)計(jì)要點(diǎn)

防爆橋式起重機(jī)用于爆炸性氣體或者爆炸性粉塵環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)需注意：1)采用防爆電動(dòng)機(jī)、防爆制動(dòng)器等防爆電氣設(shè)備。2)用于控制起重機(jī)的控制柜內(nèi)部電氣接線需采用鎧裝電纜并置于非爆炸或者非危險(xiǎn)區(qū)域。3)限制橋式起重機(jī)起升速度、大小車行走速度、鋼絲繩卷入速度等運(yùn)行參數(shù)，避免和預(yù)防起重機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生火花或者發(fā)生撞擊。4)設(shè)立爆炸風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別卡，避免設(shè)備發(fā)生撞擊或者摩擦事故。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

防爆橋式起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)見圖1，由STC89C52單片機(jī)周期性采集橋式起重機(jī)傳感器數(shù)據(jù)，如起吊重量、電機(jī)軸承溫度、大小車行程等與起重機(jī)安全作業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、A/D處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)以CAN總線通信模式發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊核心CPU為S3C6410 ARM芯片，負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、判斷、邏輯處理、顯示并通過無線通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理模塊還可接收觸摸屏指令，控制起重機(jī)動(dòng)作。當(dāng)行程傳感器、吊鉤高度、吊鉤速度等傳感器超限后，數(shù)據(jù)處理模塊觸發(fā)聲光報(bào)警，達(dá)到故障保護(hù)、安全生產(chǎn)的目的。

圖1 防爆橋式起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集模塊以STC89C52單片機(jī)為核心，具有成本低，功能足夠滿足起重機(jī)數(shù)據(jù)采集功能的優(yōu)點(diǎn)。該單片機(jī)主要完成防爆橋式起重機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的采集并通過UART串行通信發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)主要包括4-20 mA模擬信號(hào)采集電路、多圈絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)隔離電路、串口通信電路等[4-5].多圈絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)采集電路見圖2，用于測量橋式起重機(jī)工作過程中的大小車運(yùn)行位置、吊鉤高度、吊鉤速度等。多圈絕對(duì)值編碼器選用Sick公司的ATM60編碼器，通過CLK+、CLK-、DATA+、DATA-四條線以差分模式完成數(shù)據(jù)采集，一次數(shù)據(jù)采集長度為25bit.圖2所示為以采集大車運(yùn)行位置為例，4條線分別與SSI208P芯片的20、19、18、17號(hào)引腳連接。圖3所示為以STC89C52芯片P1.0引腳信號(hào)為例的控制信號(hào)隔離電路，能夠保證起重機(jī)在惡劣、強(qiáng)干擾作業(yè)環(huán)境下控制信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖2 多圈絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)采集電路圖

圖3 控制信號(hào)隔離電路圖

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊硬件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理模塊以S3C6410 ARM控制器為核心，具有低功耗、功能強(qiáng)大，功能滿足起重機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊的優(yōu)點(diǎn)。該控制器主要完成防爆橋式起重機(jī)數(shù)據(jù)的計(jì)算、判斷、指令分析、顯示以及傳輸?shù)裙δ躘6-7].數(shù)據(jù)處理模塊硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示器/觸摸屏接口電路、串行接口電路、電源電路等。NandFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路見圖4，選用K9GAG08的2G*8位NandFlash芯片，可存儲(chǔ)內(nèi)核代碼、應(yīng)用程序、傳感器數(shù)據(jù)以及文件系統(tǒng)等。圖5所示為STC89C52與S3C6410芯片的板級(jí)UART接線，為RS232通信接口電路。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路圖

圖5 板級(jí)UART通信接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集模塊軟件實(shí)現(xiàn)基于Keil C51開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，采用C語言編寫完成。該模塊循環(huán)采集橋式起重機(jī)重量、溫度、振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)采集多圈絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)，獲取大小車行程位置、吊鉤高度/速度等參數(shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，串口發(fā)送等。該模塊還需對(duì)STC89C52的K/O口、定時(shí)器、SSI208P等進(jìn)行配置和初始化。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理模塊軟件實(shí)現(xiàn)基于Keil ARM開關(guān)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，采用C語言編寫完成。該模塊通過RS232串口通信接收數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)字量數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的實(shí)際量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；判斷參數(shù)閾值超限后進(jìn)行聲光報(bào)警；接收觸摸屏發(fā)送的控制指令，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行動(dòng)作邏輯控制；將歷史參數(shù)、歷史故障信息、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)至NandFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[8]；將橋式起重機(jī)所有運(yùn)行數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

故障診斷功能軟件實(shí)現(xiàn)見圖6，分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集單元、工況分析單元、設(shè)備信息單元、預(yù)警信息發(fā)布單元、歷史數(shù)據(jù)庫、預(yù)警數(shù)據(jù)庫以及故障數(shù)據(jù)庫7部分。綜合起重機(jī)自身設(shè)備信息、實(shí)際運(yùn)行工況以及實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，觸發(fā)故障預(yù)警、報(bào)警，同時(shí)將預(yù)警數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

圖6 故障診斷模塊軟件實(shí)現(xiàn)圖

表1所示為防爆橋式起重機(jī)故障診斷條件以及處理方法，方便橋式起重機(jī)司機(jī)對(duì)故障預(yù)警、故障報(bào)警有直觀認(rèn)識(shí)，做到安全操作、安全生產(chǎn)。

表1 防爆橋式起重機(jī)故障診斷條件以及處理方法表

4 系統(tǒng)測試及維護(hù)

4.1 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證防爆橋式起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)的正確性和有效性，在西山煤電(集團(tuán))西曲礦進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)測試。該礦使用的起重機(jī)為礦用防爆單梁橋式起重機(jī)，型號(hào)為LB20 t-S，防爆等級(jí)為Exd Ⅱ，額定電壓為AC380 V/660 V，起升速度為0～4 m/min，大車運(yùn)行速度為0～8 m/min，小車運(yùn)行速度為0～20 m/min.根據(jù)防爆橋式起重機(jī)常見故障類型，分別進(jìn)行模擬測試。以模擬起升電機(jī)軸承溫度過高故障為例，當(dāng)模擬電機(jī)軸承溫度大于85 ℃后，在故障診斷系統(tǒng)界面的“電氣系統(tǒng)故障”中“電機(jī)過溫”項(xiàng)變紅并發(fā)出聲光報(bào)警，見圖7.同時(shí)“電機(jī)過溫”故障信號(hào)以短消息形式發(fā)送至手機(jī)端，以無線通信模式將該故障信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，形成一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)分級(jí)故障診斷預(yù)警機(jī)制。

圖7 防爆橋式起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)界面圖

4.2 系統(tǒng)維護(hù)

為保證防爆橋式起重機(jī)具備較好的工作性能，滿足安全、高效使用的要求，需完成設(shè)備的維護(hù)和檢查：1)制定維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃并確定維護(hù)時(shí)間，根據(jù)部件重要程度分析建立日檢、周檢、月檢、年檢維護(hù)制度，同時(shí)建立、健全設(shè)備故障和維護(hù)數(shù)據(jù)庫，跟蹤并分析關(guān)鍵部件的測定值并分析變化趨勢；對(duì)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析。2)制定設(shè)備檢查方案，重點(diǎn)檢查鋼絲繩是否有斷裂；車輪踏面是否有金屬碎屑；吊鉤是否采取防撞擊、防摩擦措施；電纜、電線、導(dǎo)線絕緣方式是否符合防爆要求；防爆電氣類別、功率是否與防爆合格證上的信息一致等。

5 結(jié)束語

1)設(shè)計(jì)了故障診斷技術(shù)、故障預(yù)警技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)有機(jī)結(jié)合的防爆橋式起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。該系統(tǒng)能夠充分利用多種傳感器采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋式起重機(jī)常見故障的有效診斷。

2)構(gòu)建了故障診斷系統(tǒng)分級(jí)預(yù)警機(jī)制和傳輸網(wǎng)絡(luò)，為橋式起重機(jī)故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。

3)在西山煤電西曲礦對(duì)防爆橋式起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，基于雙核的防爆橋式起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)起重機(jī)故障的有效診斷、分級(jí)預(yù)警，診斷結(jié)果可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。