寧文淑

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

隨著四臺(tái)礦的長(zhǎng)期開(kāi)采，輸送帶在運(yùn)輸中存在的超速、跑偏、堆煤、煙霧等問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行與安全無(wú)法得到保證，增加了生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患[1-3]。通過(guò)分析輸送機(jī)已出現(xiàn)的安全隱患，設(shè)計(jì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，監(jiān)測(cè)故障觸發(fā)報(bào)警功能，降低故障發(fā)生率，減少損失。

1 帶式輸送機(jī)分布式監(jiān)測(cè)分站硬件設(shè)計(jì)

分布式監(jiān)測(cè)分站在帶式輸送機(jī)的頭尾及中間都設(shè)置了相應(yīng)的傳感器，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)相關(guān)傳感器進(jìn)行采集、預(yù)處理和傳輸。分布式監(jiān)測(cè)分站集成了3 路編碼器信號(hào)、1 路拉力傳感器信號(hào)、6 路測(cè)力傳感器信號(hào)、2 路跑偏傳感器信號(hào)、1 路漏料檢測(cè)器信號(hào)、1 路溫度傳感器信號(hào)、1 路堆煤傳感器信號(hào)、1 路煙霧傳感器信號(hào)的采集電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信號(hào)類(lèi)型的采集與預(yù)處理。分布式監(jiān)測(cè)分站傳感器信號(hào)采集方案如圖1 所示。

2 帶式輸送機(jī)分布式監(jiān)測(cè)分站軟件設(shè)計(jì)

分布式監(jiān)控分站主要完成以下幾個(gè)功能：1）對(duì)編碼器的信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算和調(diào)整；2）對(duì)拉力傳感器的頻率信號(hào)進(jìn)行采集和測(cè)定，并將其轉(zhuǎn)換為拉力數(shù)值；3）收集獲得6 個(gè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)；4）對(duì)測(cè)力傳感器中的模擬信號(hào)進(jìn)行了采集和濾波；5）用無(wú)線方式傳輸所獲取的數(shù)據(jù)，并帶有初步的處理結(jié)果。采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、子程序化等方法對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，以方便程序的調(diào)試與修改。在圖2 中給出了分站的主要程序流程。

圖2 分布式監(jiān)測(cè)分站主程序流程圖

1）主控程序。主控程序先對(duì)MCU 進(jìn)行初始化，包括對(duì)I/O 端口、ADC、T/C、外部中斷等信息，再對(duì)各子序及中斷進(jìn)行初始化調(diào)試，如此循環(huán)反復(fù)。

2）編碼器信號(hào)的獲取和速度的計(jì)算。BQH-12ZD 型編碼器具有400 脈沖/轉(zhuǎn)的分辨能力，即編碼器每轉(zhuǎn)一次可以輸出400 次的脈沖。所以，編碼器的旋轉(zhuǎn)速度只需測(cè)得脈沖的頻率即可得出。

三種編碼器的工作原理都是通過(guò)外部中斷輸入得到輸出信號(hào)，基于編碼器來(lái)獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。將T/C2 計(jì)數(shù)器設(shè)定為連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，200 ms 為時(shí)間間隔中斷一次，然后將中斷的數(shù)量累積起來(lái)。設(shè)定一個(gè)由下降邊緣觸發(fā)的外部中斷INT0，使其在A 相位的脈沖發(fā)生下降邊緣時(shí)發(fā)生中斷。在一個(gè)中斷程序中，當(dāng)一個(gè)B 相位的脈沖（PD4 端口）被檢測(cè)到是一個(gè)高電平時(shí)，該累積器會(huì)被加1；當(dāng)探測(cè)到B相位的脈沖處于低水平時(shí)，將該累積器減去1。在累積器的絕對(duì)值（也就是定義的脈沖數(shù)目）為300的情況下，備份中斷，讀出T/C2 寄存器TCNT2 的數(shù)值，在主程序中計(jì)算旋轉(zhuǎn)速度。其中，編碼器轉(zhuǎn)速=300/(T/C2 兩次中斷次數(shù)之差×200 ms+TCNT2當(dāng)前值×T/C2 作為基準(zhǔn)時(shí)），編碼器轉(zhuǎn)速=脈沖頻率/編碼器分辨率。當(dāng)累積器值為正值時(shí)，則該編碼器為正方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)該累積器值為負(fù)時(shí)，則該編碼器為負(fù)方向旋轉(zhuǎn)。

3）拉力傳感器信號(hào)的采集和拉力數(shù)值的計(jì)算。AVR MCU 中的T/C1 是一種16 位增強(qiáng)的計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有捕獲功能，在測(cè)頻過(guò)程中，不僅可以用1 臺(tái)（T/C1）來(lái)實(shí)現(xiàn)周期循環(huán)的測(cè)定，同時(shí)，測(cè)定結(jié)果也具有很高的精度。拉力傳感器的觸發(fā)信號(hào)，由管腳ICP1（PD6）輸入，將T/C1 設(shè)定為傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器模式。當(dāng)ICP1 上的輸入信號(hào)由低變高時(shí)，將TCNT1 的計(jì)數(shù)值同步拷貝到寄存器ICR1，請(qǐng)求中斷，并由中斷程序記錄捕捉時(shí)間，在主程序中計(jì)算出張力傳感器的值。將兩個(gè)ICR1 之差與計(jì)數(shù)脈沖的周期相乘，得到輸入信號(hào)的一個(gè)周期，從而求出該信號(hào)的頻率。采用這種方法，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)頻率的線性變換，就可以得到傳感器的拉力值。

4）測(cè)力傳感器信號(hào)的獲取和處理。MCU 的ADC4（PA4）端口將測(cè)力傳感器的電壓信號(hào)輸入到ADC4（PA4）端口，用于對(duì)負(fù)載檢測(cè)器的模擬-數(shù)字變換。針對(duì)其測(cè)量結(jié)果易受塊狀材料撞擊而導(dǎo)致的擾動(dòng)，提出了一種極值平均濾波算法，它不僅能消除擾動(dòng)，還能過(guò)濾掉隨機(jī)擾動(dòng)。

3 帶式輸送機(jī)分布式安全監(jiān)測(cè)運(yùn)行機(jī)制

3.1 打滑與斷帶監(jiān)測(cè)

圖3 打滑與斷帶監(jiān)測(cè)程序流程圖

當(dāng)拉力傳感器輸出的是0 Hz 的頻率信號(hào)時(shí)就證明傳感器故障。因?yàn)橥ǔＦ漭敵龅男盘?hào)頻率在200～1000 Hz 之間。但是所測(cè)拉力為0 Hz 時(shí)，傳感器還是有信號(hào)輸出的。當(dāng)改向滾筒轉(zhuǎn)速檢測(cè)為0 時(shí)，并且在輸送帶沒(méi)有斷帶的情況下，就證明滾筒卡死。管理員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中的輸送帶張力以及滑差率的變換趨勢(shì)來(lái)判斷故障是否發(fā)生或是將要發(fā)生?；盥逝c帶速的計(jì)算要依據(jù)編碼器的轉(zhuǎn)速，輸送帶張力的計(jì)算依據(jù)張緊裝置鋼絲繩拉力，計(jì)算出的數(shù)值要實(shí)時(shí)體現(xiàn)在前面板上，并且實(shí)時(shí)更新滑差率和輸送帶張力的變化曲線。當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)不在正常閾值范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的故障指示燈亮并進(jìn)行報(bào)警。

3.2 縱向撕裂監(jiān)測(cè)

縱向撕裂監(jiān)測(cè)是以輸送機(jī)運(yùn)行中輸送帶是否有發(fā)生撕裂狀況為標(biāo)準(zhǔn)，以漏料與壓力的檢測(cè)結(jié)果作為判斷依據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到托輥受壓超限并持續(xù)一段時(shí)間或漏料兩種情況時(shí)則可判斷為縱向撕裂故障。在輸送帶發(fā)生撕裂前，托輥會(huì)受壓超限至少300 ms 以上，所以以300 ms 內(nèi)三組緩沖托輥所受總拉力和的積分值作為判斷輸送帶撕裂的依據(jù)[4]。當(dāng)有附加壓力時(shí)，張力和的積分逐漸增大，達(dá)到最大值，直到輸送帶斷裂后，積分值開(kāi)始逐漸減小，甚至由于物料泄漏，使該值小于正常值。當(dāng)有附加壓力時(shí)，張力和立即增加，一段時(shí)間后由于輸送帶破裂而減少。

3.3 跑偏與堆煤監(jiān)測(cè)

堆煤與跑偏傳感器的輸出是開(kāi)關(guān)信號(hào)，正常情況下傳感器輸出高電平，當(dāng)輸出低電平時(shí)則證明有故障發(fā)生。正常時(shí)0x01，故障時(shí)則是0x00。輸送帶共設(shè)有6 路跑偏傳感器，分別代表機(jī)頭、機(jī)尾以及中間的左右跑偏；堆煤傳感器設(shè)有2 路，分別代表機(jī)頭堆煤和溜槽處堆煤。當(dāng)某個(gè)傳感器輸出低電平即LabVIEW 讀取的數(shù)據(jù)是0x00 時(shí)，則表明有故障發(fā)生，對(duì)應(yīng)的故障指示燈亮并進(jìn)行報(bào)警。

3.4 火災(zāi)監(jiān)測(cè)

在輸送機(jī)的傳動(dòng)滾筒及驅(qū)動(dòng)裝置上安置溫度與煙霧傳感器，以便于對(duì)輸送帶的火災(zāi)監(jiān)測(cè)。運(yùn)行中輸送帶打滑可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)，所以將溫度傳感器的報(bào)警值預(yù)設(shè)在3 檔70 ℃。當(dāng)運(yùn)行中傳動(dòng)滾筒溫度超出預(yù)設(shè)值，溫度傳感器輸出低電平即LabVIEW讀取的數(shù)據(jù)是0x00 時(shí)，則表明有故障發(fā)生，要進(jìn)行超溫報(bào)警；同樣，煙霧傳感器輸出低電平時(shí)也要進(jìn)行煙霧報(bào)警。

4 可行性分析

4.1 測(cè)試方案

安全監(jiān)控軟件主要包括數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)以及故障監(jiān)控與預(yù)警。在試驗(yàn)過(guò)程中，用筆記本電腦代替工控機(jī)來(lái)運(yùn)行LabVIEW 監(jiān)測(cè)程序構(gòu)建一個(gè)虛擬串口，以串口調(diào)試助手為基礎(chǔ)，按照串口數(shù)據(jù)包的要求格式，向虛擬串口發(fā)送一組數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的輸送機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行模擬分析，然后運(yùn)用設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測(cè)程序從該虛擬串口讀取數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)試驗(yàn)，分別對(duì)輸送帶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和因張緊力不足而引起的滑移進(jìn)行了模擬，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.2 結(jié)果分析

假定正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸送帶速度為2.5 m/s，兩個(gè)傳送滾筒的直徑都設(shè)定為1 m，頭、尾轉(zhuǎn)向滾筒的直徑都設(shè)定為0.8 m。結(jié)果表明，輸送帶的拉力、滑差都在允許的合理范圍之內(nèi)，機(jī)器沒(méi)有發(fā)出警告預(yù)警，所有的參數(shù)都處于正常值。在張緊力不夠的情況下，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的張緊力曲線呈下降趨勢(shì)，逐步降到張緊力的下限值以下，滑差速率逐步增加，直至升到一級(jí)的下限以上；拉力不夠、一級(jí)滑移故障指示燈亮，故障預(yù)警信號(hào)在接口上出現(xiàn)；其他各項(xiàng)參數(shù)都是正常的。

總之，帶式輸送機(jī)分布式安全監(jiān)測(cè)程序可以對(duì)有關(guān)故障展開(kāi)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，還可以顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，基本達(dá)到了設(shè)定的目標(biāo)。

5 結(jié)論

針對(duì)四臺(tái)礦帶式輸送機(jī)的輸送帶在運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，設(shè)計(jì)了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，結(jié)論如下：

1）研究了帶式運(yùn)輸機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件方案，選擇了合適的分布監(jiān)控分站，基于傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，最終確定了分站的設(shè)計(jì)方案。

2）基于串口調(diào)試助手，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M串口，對(duì)帶式輸送機(jī)正常工作和故障出現(xiàn)的兩種情況進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)主站LabVIEW 的安全監(jiān)測(cè)程序進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明：所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的判斷與預(yù)警、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。