刮板输送设备动力部工况监测及故障报警装置研究

宁 夏 天 地 奔 牛 实 业 集 团 有 限 公 司

煤矿综采输送设备智能制造技术国家地方联合工程实验室 □渠婷婷 刘宏飞 王金平

山 东 能 源 集 团 有 限 公 司 □亓玉浩

刮板输送设备动力部工况监测及故障报警装置研究， 满足客户对于刮板输送设备动力部工况运行参数的在线监测， 包括减速器油温、 油位、油质、 水温、 水压、 水流量、 高低速轴轴承温度、 电机轴承、 绕组温度、 轴承振动、 电机转速等， 实现对刮板运输设备动力部运行状态参数的实时监测。 同时， 系统外设声光报警、 急停闭锁装置， 当出现故障时及时报警， 更直观提醒操作人员， 通过急停闭锁按钮紧急停机， 有效的避免事故发生， 满足煤矿智能化建设要求。 目前刮板机监测系统每个动力部均需要一台控制器进行数据的接收和显示， 存在的问题主要包括: 1) 监测数据相对单一; 2) 没有声光报警， 显示报警界面不能有效提醒操作人员， 人机交互效果差;3) 控制器体积大、 重量大， 造成安装维修耗费大量的人力成本。 为了提升产品竞争力， 迎合市场需求， 满足智能化矿山建设要求， 本文阐述研发一种新型输送设备动力部工况监测及故障报警装置， 扩展监测点位数量， 重新优化设计控制器外观， 同时减少控制器的体积重量的内容。 采用外设声光报警、 急停闭锁装置， 将故障报警信息第一时间传递给工作人员， 及时发现并处理故障并能够实现本地紧急停机。 本论文所阐述设计的动力部工况监测及故障报警装置， 很好的解决了目前监测系统存在的问题。

(1) 系统硬件平台

系统的硬件平台主要包括: 防爆外壳、 传感器部分、 数据采集与处理、 隔离模块部分、 PLC控制部分、 声光报警、 人机界面、 急停闭锁装置等。 原理框图如图1 所示:

图1 系统硬件平台原理图

1) 防爆外壳

防爆外壳采用矿用隔爆兼本安型结构设计，隔爆部分采用Q345A 普通碳素结构钢材料制造而成， 本安部分则采用不锈钢材料制造。 防爆外壳通过减少板厚和大小， 从而减少该装置的体积和重量， 大大削减了井下设备安装维修煤矿工人的工作量。 原来的防爆外壳本安部分与隔爆部分的材质与板厚没有区别， 增加了控制器的体积和重量， 本文阐述所设计的防爆外壳对结构部分进行了优化， 防爆外壳重量减少52%。

2) 传感器部分

传感器主要包括温度、 压力、 流量、 振动、频率、 转速等传感器。 这些信号主要包含PT100、 4-20mA， 0-5V、 0-10V 的信号。 温度传感器选用PT100 作为测温元件， 通过外界温度引起的电阻变化， 信号通过处理器模块转换为数字信号对外传输， 传感器量程为(0～200℃)， 用来测试水温、 轴温、 油温等。 压力传感器选用压敏电阻作为测压元件， 外界压力引起的压敏电阻电路中的电流信号通过处理器模块转换为数字信号对外传输， 传感器量程为(0～5Mpa)， 用来测试水压。 流量信号为4～20mA 信号， 用来测试冷却水流量。 传感器信号通过工况监测装置的快插口和喇叭口进线， 接入到数据采集与处理部分。 动力部监测系统通过刮板输送设备减速器、电机等关键零部件内置的传感器判断设备的运行状态， 当实时监测值超过阈值时， 人机界面和语音部分会即时发出报警提示， 提醒工作人员关注设备的运行状态， 必要时停机检查。

3) 数据采集与处理部分

数据采集与处理部分是指通过各种传感器采集和记录各种模拟量信号、 数字量信号， 并对这些数据进行处理和分析的过程。 传感器采集到的数据需要进行处理和分析， 以便判断设备是否存在故障。 本文采用电路板进行数据采集和处理，通过AD 转换器将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号， 并存储到内部存储器中。 监测装置还具备对数据进行实时监测和采集的能力， 以确保数据的准确性和及时性。 在数据处理方面， 监测装置需要具备对采集到的数据进行处理和分析的能力， 这包括对数据进行滤波、 去噪、 校准等处理， 以及对数据进行统计和分析， 提取有用的信息和特征。 同时， 数据采集与处理部分还需要具备数据传输的能力， 以便将处理后的数据传输到PLC 进行进一步的分析和应用。

4) 隔离模块部分

由于动力部监测及故障报警装置为隔爆兼本安结构， 所以需要对隔爆信号与本安信号做隔离。 隔离模块部分主要分为四部分: 模拟量输入隔离、 数字量输入隔离、 数字量输出隔离、 通讯隔离。 所有隔离模块都做成独立的电路板， 方便检测及更换。 PT100、 4mA～20mA、 0V～5V、 0V～10V这四种模块量信号、 数字量输入信号用线性光耦进行隔离; 数字量输出部分用继电器隔离; RS485信号用高速光耦进行隔离， 以尽量提高通讯波特率。 RS485 隔离选择合适的光耦和外围元件就可以控制波特率在可接受的范围之内， RS485 隔离电路的难点在于收发的控制及转换， 在设计过程中要用单片机接收转发的方式进行隔离。

5) PLC 控制部分+显示系统

控制部分采用PLC 做逻辑计算、 通讯处理。刮板输送设备关键零部件安装的传感器通过快插电缆将信号接入动力部工况监测及故障报警装置， 数据先进入数据采集与处理部分， 处理为数字量信号后通过以太网方式传输给PLC， PLC系统通过CPU 的数据处理后， 然后根据预设的算法进行数据的逻辑分析， 判断设备是否存在故障。 如果设备存在故障， 则触发故障诊断与报警模块进行报警提示， 最后进行显示、 存储、 控制等输出。 显示系统由触摸屏完成， 通过对触摸屏组态编程， 实现数据的动态显示和报警。 PLC控制部分集成多种通讯协议， 包含Modbus RTU、 Modbus TCP、 TCP/IP、 CAN open 等多种通讯协议。

6) 声光报警部分

当设备出现故障时， PLC 发送报警提示给声光报警部分。 本装置采用LED 灯和语音模块配合进行报警提示， 当PLC 诊断出设备存在故障时， 会控制LED 灯亮起， 并同时触发语音模块传输语言信号经扬声器进行报警。 同时， PLC控制部分还会通过串口将故障信息传输到上位机， 以便进行更为详细的故障诊断和处理。

7) 急停闭锁装置

控制器外部设有紧急停机闭锁装置， 第一时间将设备故障报警状态反映给使用操作人员并能够在本地操作紧急停机。

(2) 系统软件设计

系统软件主要包括数据控制、 数据存储、 数据分析等模块。

1) 数据控制模块

系统集成控制算法， 主要功能是实现实时监测、 控制、 逻辑分析。 当系统判断设备油位过低、 温度超限、 压力太大、 链条过松， 系统会自动发出预警信号， 提醒操作人员及时进行维护和更换。

2) 数据存储模块

数据存储模块用于将处理后的数据保存到数据库中， 以备后续分析和查询。

3) 数据分析模块

输送设备在线故障诊断模块就是针对成套刮板输送设备开发的故障诊断分析系统。 该模块依据设备现有实时监测数据完成相关诊断工作。 数据库中集成各种机械结构的属性、 问题产生机理、 解决办法分类整理， 纳入关系型数据库为数据分析模块提供依据， 从而找到设备异常的原因所在， 这就大大降低了设备维护的难度， 实现在线监测与故障报警， 提高了设备维护的效率和准确性， 给用户提供了设备维护建议实现设备的全生命周期管理。

本文主要研究了刮板输送设备动力部工况监测及故障报警装置的设计与实现。 通过选择合适的传感器、 数据采集与处理、 隔离模块、 PLC控制、 故障诊断与报警等方面的设计， 能够有效地监测刮板输送设备的工作状态， 并及时报警提示故障， 具有良好的实用性和可靠性。 该装置能够提高设备的可靠性和生产效率， 具有广泛的应用前景。