煤矿胶带输送机监测监控与故障诊断系统设计研究

李渊

山西焦煤西山煤电斜沟矿 山西 兴县 035300

随着采煤方法及技术的不断发展，矿用机械设备自动化水平也得到发展。对于矿用胶带输送机而言，在长期高载荷、高速度的运行下，设备经常出现跑偏、断带、打滑等故障[1-2]。针对此现象，许多学者进行了监测监控系统的设计，从已有研究来看，监测监控系统精度较低，不能实现故障的准确定位且自动化水平较低，在井下恶劣的生产环境中，系统问题较多，且工人维修操作起来困难较大，维修时间过长影响了生产的进行[3-5]。本文对输送机监测监控系统进行了优化设计，在算法基础上，实现了故障信息的准确判断，且在现场调试中取得了成功，值得大力推广。

1 胶带输送机监测监控系统设计

矿用胶带输送机是矿井煤炭运输的重要机械设备，在长期高速承载的运行下，输送机经常出现跑偏、打滑、撕裂等故障，严重影响到生产的进行，为此，对胶带输送机监测监控系统进行设计就显得尤为重要。

因为井下空间有限，开采环境恶劣，对于输送机监测监控系统的设计必须满足以下条件:

（1）监测监控系统的设计必须满足井下恶劣的开采条件，且系统电路需具备一定的防潮、防尘功能。

（2）在系统硬件以及软件的选择上，必须具有一定的可靠性，保证电路系统的稳定性。

（3）监测监控系统需具备实时监测和显示设备运行状态，且系统的集成度高，便于工作人员操作。

（4）为了便于系统的升级拓展，需提供足够的接口提高系统的可拓展性。

（5）系统的设计需经济合理，适应矿井开采条件。

胶带输送机监测监控系统的设计分为硬件设计和软件设计两部分，硬件设计的核心是监测主机，其负责整个系统数据的监测采集，为了实现系统的稳定性、强大的运算能力及丰富的外界口功能，选用MIO-5250 主板，主板参数如下：采用Inter1NM10处理器，Dual-Core 1.6GHz/1.86 GHz的主频，4GB的内存，128GB的固态硬盘，12VIA的电源和7W的功耗，主板尺寸为148×101mm。

对于软件设计，主要是实现各模块的作用，在硬件主板的基础上，设计稳定可靠的软件模块。本文软件的设计依赖于LabVIEW 软件平台，设计了监测控制的人机界面，通过人机交互界面可以实现对设备运行状态的监测和调控，提供了自动化水平。

分配方法如下：上位机对于地址排序功能的实现依赖于下位机地址排序，当上位机地址排序按钮或电路合闸时，下位机执行程序功能。上位机主控界面运行后，发出地址排序命令，管理模块将地址自动修改为0，修改后地址数据传送至设备，设备地址、排序命令等信息都在数据中。当设备接收到上级沿线设备的数据后，设备进行数据的分配并对接收数据进行检验，如果检验通过，数据设备自动修改为1，此后设备数据传送至下个沿线设备中，直至传送至终端设备，通过CAN总线在人机界面显示。

如果数据检验失败，则本机设备向上一级设备反馈错误，上级设备需重新进行数据的检验然后重新发送数据，共有4次发送数据的机会，如果4次后下级设备数据检验依旧错误，则表示设备总线发生故障，故障信息将在主机控制的人机界面显示。

图1 胶带输送机地址自动分配流程图

对于人机界面的显示以主控窗口为例，输送机人机界面显示窗口的显示内容如下：

（1）设备运行的状态主要有检修控制、集中控制和就地控制三种模式，各个模式下都有相应的参数设置，操作人员只需根据实际状况进行控制模式的切换，当运行状态指示灯亮时，输送机则处于运行状态。

（2）显示界面还具有故障复位、集控启停等按钮，通过鼠标点击便可实现相应的功能。

（3）沿线设备的参数、指示灯以及运行过程中电压等参数都在显示界面显示。

（4）胶带输送机运行过程中温度、速度等参数都会实时显示，对于跑偏等故障也会实时显示，操作人员可以根据显示界面显示的设备运行状态进行参数等调节。

2 故障诊断方法研究

胶带输送机常见的故障主要包括设备的磨损、高温损坏等，对于故障信息的诊断可通过电流振动信号解决，本文针对相对较为复杂的电流振动信号进行信号滤波、特征提取等操作，实现对故障类型的智能识别。

以矿井胶带输送机为例，设备运行过程中轴承转速达到64r/min，对设备进行数据采集，采集频率为2000Hz，共采集10000个采样点。得到图3中（a）图所示的波形实测图，从图中可以看出，采集到的信号振动复杂，故障特征信号完全融入在波形图中，因此需要进行降噪处理，得到图3中（b）图所示降噪后的波形图，对于降噪处理，利用EEMD算法将噪音值降低为采集信号值的0.19倍，通过150次的分解，得到15个不同尺度的特征频率分量，对于特征频率分量相关系数大于0. 分离降噪信号后的波形图1的信号进行重构，剩余特征频率分量重构得到虚拟噪音信号，得到图3中（c）图所示的，至此，实现了信号和噪音的分离工作。结合本次信号分析，可得到胶带输送机外圈故障的频率为9.5Hz，内圈故障频率为12.4Hz，滚动体故障频率为4Hz。

图3 时域波形图

3 调试应用

基于上述胶带输送机监测监控系统设计和故障诊断分析，进行了现场调试应用。现场调试主要针对自动地址排序功能的调试、故障定位功能调试、参数设置功能调试三部分。对于自动地址排序功能的调试，发现运行过程中出现不稳定现象，出现了排序失败现象，通过检查发现是RS485通讯程序紊乱造成，设备之间通讯错误使得程序发送错误，出错后的程序一直发送导致总线被占，进而出现信息上传错误现象，通过对通讯程序的修改，实现了自动排序功能的稳定运行。

对于故障定位功能的调试，采用闭锁开关模拟传感器进行测量，测量频率范围为300-1000Hz，测量信号以直流电形式输出，通过该方法对运行过程中胶带输送机的状态进行监测，通过人机界面上设备故障诊断显示信息，发现对于故障诊断的定位精确度极高，可靠性高。

对于参数设置功能的调试，主要包括对输送机参数、配电箱参数的设置，在现场参数设置的过程中，发现回路控制器中的通讯协议不标准，导致参数字节设置有限制，重新调试程序后，参数设置顺利完成。

4 结论

本文针对现有矿用胶带输送机监测监控系统的不足，进行了监测监控系统的优化设计，此外，在故障诊断方法研究的基础上，顺利得到了胶带输送机外圈故障频率、内圈故障频率和滚动体故障频率，通过现象测试调控，实现了自动排序功能的稳定运行和参数的顺利设置，运行过程中设备无故障，证明了此次优化方案的成功性。