煤礦井下帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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摘要：隨著煤礦開(kāi)采量的日益提升，輸送機(jī)使用與輸送量的增多使得帶式輸送機(jī)在使用過(guò)程中常出現(xiàn)斷裂、打滑、超溫等故障，極大影響煤礦生產(chǎn)與安全。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套煤礦井下帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)常見(jiàn)故障的分析，硬件電路、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于DSP數(shù)字處理器主控單元，對(duì)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)了微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，硬件電路與軟件系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)介紹，具體有采樣保持電路、電源電路等。實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)對(duì)于煤礦的生產(chǎn)與效益提升具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：煤礦；帶式輸送機(jī)；保護(hù)系統(tǒng)

1帶式輸送機(jī)保護(hù)分析

1.1帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)需求分析

根據(jù)井下環(huán)境情況，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能適應(yīng)的溫度范圍需為-40～85℃并且能防火、隔爆、防沖擊的環(huán)境需求。系統(tǒng)通過(guò)安裝在輸送機(jī)及其周?chē)膫鞲衅髂軐?shí)時(shí)傳輸帶速信號(hào)、張力、壓力、溫度等數(shù)據(jù)信息；能將這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)CAN協(xié)議打包處理后上傳至處理器及存儲(chǔ)設(shè)備單元，通過(guò)通信功能與上位機(jī)實(shí)時(shí)傳輸方便工作人員能及時(shí)了解帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)；上傳至上位機(jī)的信息可以進(jìn)行對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，從而可以根據(jù)需求對(duì)物理進(jìn)行上下閾值的設(shè)定完成報(bào)警警示功能。

1.2帶式輸送機(jī)常見(jiàn)故障分析

（1）張力超限

在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中，當(dāng)其輸送帶所受張力超過(guò)接頭所受的拉伸最大載荷力Fmax時(shí)，輸送帶內(nèi)部的鋼繩芯粘結(jié)層便會(huì)開(kāi)始破損導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)抽動(dòng)的現(xiàn)象，并隨時(shí)因超過(guò)張力臨界值而被拉斷。故設(shè)定輸送帶所允許的最大張力為Fmax，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行情況，當(dāng)張力傳感器監(jiān)測(cè)到輸送帶所受的張力達(dá)到Fmax的70%～80%時(shí)，便由控制器對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢查的操作命令。為更好的監(jiān)測(cè)所受張力值，對(duì)張力傳感器的選擇選用應(yīng)變式拉壓力傳感器，該傳感器的量程通過(guò)輸送帶滿負(fù)荷時(shí)所能承受的最大張力與撓度值的進(jìn)行確定。考慮到輸送帶受力分析后最大張力點(diǎn)為主動(dòng)滾筒的緊邊處，故傳感器的安放位置變?yōu)樽畲髲埩c(diǎn)。

（2）縱向撕帶

帶式輸送機(jī)的輸送帶通常會(huì)在機(jī)尾裝載點(diǎn)出發(fā)生縱向撕裂的現(xiàn)象。其原因主要是由于落料口下落的煤炭中常含有大塊量的矸石等異物，這些異物在下落后一方面極容易將輸送帶扎破導(dǎo)致?lián)p壞，另一方面也容易落在支架上對(duì)輸送帶表層劃傷，隨著其張力的增大而導(dǎo)致輸送帶傷口的加深，從而形成縱向撕裂.因輸送帶是不斷運(yùn)動(dòng)的，所以對(duì)其縱向撕裂的情況監(jiān)測(cè)比較困難。而輸送帶在發(fā)生總想撕裂過(guò)程中是會(huì)受一個(gè)持續(xù)向下的壓力，所以可以通過(guò)對(duì)托棍所受的向下壓力值來(lái)判別輸送帶的受力情況，通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸給主控單元后，主控制器通過(guò)對(duì)壓力分析后對(duì)縱向壓力在一定時(shí)間內(nèi)積分，計(jì)算出其積分面積是否超過(guò)設(shè)定閾值來(lái)判別是否發(fā)生縱向撕裂，而傳感器選用金屬應(yīng)變式拉壓傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（3）輸送帶火災(zāi)監(jiān)測(cè)

輸送機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間工作后，除遇明火外發(fā)生火災(zāi)主要為兩部分原因。一方面當(dāng)膠帶與滾筒之間出現(xiàn)持續(xù)打滑現(xiàn)象，會(huì)因其摩擦而導(dǎo)致升溫發(fā)生火災(zāi)。另一方面，由于托輥軸承內(nèi)部積攢大量粉塵，很容易使得軸承卡死使得托輥溫度升高而熱量被粉塵包裹散不出去導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)。對(duì)輸送帶溫度的監(jiān)測(cè)可以分為兩種，一種是監(jiān)測(cè)膠帶與滾筒之間的滑差率而間接判斷溫度是否會(huì)超限，一般設(shè)置為最大滑差率為允許值的10%；另一種是對(duì)托輥軸端的溫度監(jiān)測(cè)，根據(jù)煤礦防火要求，設(shè)定其溫度閾值為150℃。雖然對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的方法眾多如：紅外輻射法、熱敏電阻法等，但考慮井下環(huán)境及輸送機(jī)實(shí)際狀態(tài)，本系統(tǒng)采用合金溫度傳感器作為溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2硬件電路

2.1保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的硬件電路以DSP28335數(shù)字處理器為核心，通過(guò)對(duì)傳輸帶速信號(hào)、張力、壓力、溫度等模擬量數(shù)據(jù)信息的采集，主控單元以采集信號(hào)為依托，進(jìn)行故障預(yù)處理與判別。同時(shí)對(duì)電源電路、復(fù)位電路、通信電路、顯示電路、保護(hù)控制電路進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2主控芯片選型

本系統(tǒng)為適用礦井下復(fù)雜環(huán)境，完成保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理的功能，本系統(tǒng)以TMS320F28335為核心的嵌入式控制芯片進(jìn)行模擬信號(hào)的采集與處理、保護(hù)識(shí)別與預(yù)判、開(kāi)關(guān)動(dòng)作量的輸入和輸出等功能的實(shí)現(xiàn)，其性能相比于DSP定點(diǎn)處理器，該處理器具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力內(nèi)核更為強(qiáng)大，數(shù)字邏輯處理速度更快。TMS320F28335處理器增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及高精度的PWM處理單元，比之前定點(diǎn)DSP處理器相比數(shù)字計(jì)算性能明顯增強(qiáng)，很適合井下等工礦的復(fù)雜環(huán)境使用。具有18路PWM信輸出和16路通道的A/D轉(zhuǎn)換器，使得該處理器能實(shí)時(shí)處理多路信號(hào)，對(duì)于井下輸送機(jī)的狀態(tài)信息的識(shí)別與處理更為迅速。

2.3電源電路

本系統(tǒng)采用DSP控制芯片，該芯片內(nèi)核需要3.3V電源進(jìn)行供電，故在設(shè)計(jì)時(shí)需要將系統(tǒng)的5V輸出電壓一部分通過(guò)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為3.3V的直流輸出電壓。在電源電路設(shè)計(jì)時(shí)嗎，針對(duì)電磁干擾以及輸出紋波的影響，故將電壓調(diào)節(jié)器采用精度較高、低頻干擾小的線性電源。該線性電源型號(hào)選用LM310和LM1117。

2.4采樣保持電路

本系統(tǒng)在對(duì)井下輸送機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，因井下環(huán)境與負(fù)載變動(dòng)較大，輸送機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓電流等信息在采樣過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)而導(dǎo)致采樣模擬信號(hào)的跳動(dòng)，從而產(chǎn)生采樣誤差。而在對(duì)采集的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)需要保證在一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)要保證模擬信號(hào)的不變，所以為減小采樣過(guò)程中的誤差，需要專門(mén)設(shè)定采樣保持電路。把本文選用的為L(zhǎng)F398型號(hào)的S/H采樣/保持器進(jìn)行采樣保持電路的設(shè)計(jì)，該保持器通過(guò)邏輯電平的高低對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行控制，即采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)。通過(guò)LF398型號(hào)的S/H采樣/保持器一方面可以迅速穩(wěn)定變化中的輸入信號(hào)減小誤差，另一方面，它可以存儲(chǔ)多路模擬信號(hào)從而使得多路信號(hào)連續(xù)切換到待轉(zhuǎn)換的信號(hào)?？紤]到本系統(tǒng)使用環(huán)境的特殊性，為提高采樣頻率將電路中的保持電容選為100pF，而對(duì)高精度輸入信號(hào)可以適當(dāng)提高電容值。考慮到印刷電路中實(shí)際的電磁影響，需要減小保持電容與輸入信號(hào)間的耦合電容值的大小。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要依托DSP單元進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，DSP具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。包括系統(tǒng)初始化、信號(hào)采集前的預(yù)處理、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)邏輯處理與判別等。在對(duì)所采集的信息處理后，若達(dá)到設(shè)定閾值而判定故障，主控單元發(fā)出相應(yīng)保護(hù)措施。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的所需要功能進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)輸送機(jī)常見(jiàn)的故障原因與監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行分析。通過(guò)基礎(chǔ)理論的分析對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)、主控選型、采樣電路及保持電路的設(shè)計(jì)等，同時(shí)在DSP主控單元的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行滿足實(shí)際需求。

作者：吳燾 單位：西山煤電股份有限公司西銘礦