矿用带式输送机状态监测及故障诊断系统设计研究

黄 珏

（安徽矿安检测技术服务有限公司，合肥 230088）

带式输送机因其输送距离长、输送量大、连续性好以及自动化程度高等优点，在绝大多数煤矿承担着主要原煤运输的任务。随着科技的不断进步，带式输送机不仅结构更加合理，而且逐渐向着大型化、长距离、高可靠性和高稳定性趋势发展[1]。在带式输送机长期运行过程中，由于它属于摩擦力驱动的设备，与物料、托辊和滚筒之间的摩擦会造成皮带的磨损导致影响实际使用效果[2]。由于带式输送机长期处于潮湿、多尘的恶劣环境，不可避免会造成一定的机械故障。运输过程中，煤炭分布不均有时会出现皮带跑偏现象；运行过程中，带式输送机上方的锚杆等装置有时会掉落，造成带式输送机的皮带发生撕裂或断带现象；由于张紧力异常偏小，在重载启动条件下会出现张紧装置故障，严重影响企业的设备正常运转和安全生产[3]。针对带式输送机经常出现的故障，目前除了人工巡检以外，也有已广泛应用的状态检测系统，可以实现对常见故障的监测与报警。但是，各子系统缺乏有效联系和传感器布设的限制，无法准确地对带式输送机进行故障诊断找到问题所在，增加了设备的维修时间，影响了煤矿生产的效率。基于此，本文设计了一套状态监测和故障诊断系统，对实现系统化和智能化带式输送机管理具有一定的意义。

1 系统的总体方案设计

由于煤矿井下复杂的作业环境，在设计带式输送机状态监测和故障诊断系统时需要使其具备防爆、防潮和防尘的能力。由于煤矿井下的开采过程是连续运行的，状态监测和故障诊断系统需要能够实现较长时间的稳定可靠运行。为了结合今后信息技术的不断进步，在设计过程中还需要留有升级接口，保证能够及时进行系统更新。经过综合考虑，在系统设计上采用集中-分布式结构，主要由主控制器和辅助设备组成。主控制器主要是由控制器、报警模块、管理模块以及多个配电控制装置组成，安装在高压开关防爆配电柜内。辅助设备主要有沿线急停装置、扩音电话、本安摄像头以及相关参数的信号采集器组成。工控机通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线实现与其他各模块的连接。各模块之间利用MODBUS-RTU协议与其他各单元回路之间实现通信。其他辅助信号采集主要是针对温度、带速、转速、压力、电流和烟雾等进行监测，实现信号的采集。对采集到的信号和数据进行系统分析，同时结合带式输送机的运行状态分析，最终输出故障诊断结果。系统结构图如图1所示。

图1 带式输送机状态检测和故障诊断系统结构图

2 系统的硬件设计

通过对状态监测和故障诊断系统的使用环境和使用要求进行综合考量，该系统的监测主机选用MIO-5250主板，CPU选用STM32F107RCT6芯片，在现场监测上选用本安型摄像机。传感器的相关选择如表1所示。实际应用中，可针对不同使用环境进行调整。

表1 传感器型号选择

2.1 主控模块设计

工控机通过CAN通信电路与I/O模块进行通信，实现对驱动电机、张紧系统以及抱闸电机等的主动控制。I/O模块通过各回路中的传感器进行信号的采集和实现对各回路开关的控制，结构如图2所示。带式输送机在实际应用中经常长距离铺设，要在整条设备沿线上按需设置一定的设备信息管理和信息传输装置，同时要能够及时将信号传递到总控室。

2.2 信号采集电路设计

为了实现控制芯片获取信号，设计了信号调理电路。信号调理电路主要分为频率量、电流量以及开关量3部分。频率量调理电路主要是针对速度、温度以及张力等物理信号的传感器进行频率量的调理，电路图如图3（a）所示。电流量调理电路针对电流和振动传感器的电信号进行电流量的调理，电路图如图3（b）所示。开关量调理电路主要是针对堆煤、跑偏以及烟雾传感器的开关量信号进行调理，电路图如图3（c）所示。

3 系统的软件设计

系统的运行过程是通过各传感器采集实时信号输送至控制器，控制器收到信号后进行分析，将结果传递至人机交互界面实时显示数据，以实现对带式输送机运行状态和周围环境的监测。当出现疑似故障时，异常参数传递至控制器。控制器分析后，通过CAN总线传递至上位机，依靠故障诊断功能识别并确定故障类型，并自动显示相应的报警状态和故障发生位置。

4 故障诊断功能设计

故障诊断的作用是查明带式输送机功能失效的原因，确定故障发生位置，给出解决方案。设计思路是将异常数据从获取的信号中分离出来，结合设备的运行状态参数进行分析，完成故障识别，实施紧急停机等措施，给出维修处理方案。

图2 I/O模块硬件结构图

图3 信号调理电路

带式输送机的常见故障有机架变形、堆料、皮带打滑、皮带撕裂、皮带跑偏、皮带断带、皮带起火、托辊故障、电机故障及轴承故障等[4]。部分故障识别处理设计如下。

4.1 皮带断带识别

检测到设置在皮带不同位置的速度传感器给出的部分带速大幅降低和带速不等信号，同时检测到张紧拉力明显下降信号时，结合皮带运行方向逻辑判断，识别出皮带发生断带，自动使本部带式输送机停机，同时停止上游输送机，延时停止下游输送机[5]。

4.2 皮带撕裂识别

检测到防纵撕开关状态改变或检测到缓冲托辊压力超限并持续一段时间时，表明在皮带被异物划透前，缓冲托辊会承受一个较大的压力并至少持续300 ms，识别出皮带发生撕裂。

4.3 火灾识别

火灾发生前一般会有烟雾产生和温度升高现象。试验表明，部分钢丝绳芯阻燃输送带温度升至约260 ℃会冒烟，温度升至320 ℃会着火，同时伴随产生大量一氧化碳气体。当检测到烟雾、温度和一氧化碳传感器异常信号时，识别出发生火灾，自动洒水并停机。

4.4 皮带打滑识别

检测到皮带带速与滚筒线速度不同步，同时检测到驱动滚筒表面温度传感器异常升高信号时，需结合张紧拉力改变情况进行综合判定，识别出皮带发生打滑。

5 结语

带式输送机作为煤矿开采设备中的重要一环，承担着井下煤炭的主要运输任务。本文在带式输送机现有状态监测系统的基础上，设计了带式输送机的故障诊断模块。通过对状态监测和故障诊断系统的硬件和软件进行设计，有助于带式输送机高效稳定运行，提高带式输送机自动化和智能化管理水平，减少维修人员劳动强度，提高煤矿运输效率。