矿用胶带运输机故障监测节点的设计_王辉俊.pdf

矿用胶带运输机故障监测节点的设计 王辉俊1，赵立永1，彭亮2 1. 华北科技学院 电子信息工程学院，河北 三河 101601; 2. 辽宁铁道职业技术学院 电气工程系，辽宁 锦州 121000 ［ 摘 要］针对胶带运输机在运行过程中出现的过载、打滑、跑偏等故障，设计了一种以 STM32 单片机为控制核心的故障监测节点。该监测节点采集温度、速度、压力、电压、电流、胶带位 移等运行参数，通过 CAN 总线向地面控制计算机传输数据，实现矿用胶带运输机的故障监测和保护。 实验表明 该监测节点安全可靠、通用性强、通信速度快，可在线监测胶带运输机的多种故障。 ［ 关键词］胶带运输机; 故障监测; 胶带打滑; 单片机; CAN 总线 ［ 中图分类号］ TD528. 1［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201702- 0040- 04 Design of Fault Monitoring Point of Mine Belt Conveyor WANG Hui- jun1，ZHAO Li- yong1，PENG Liang2 1. College of Electronic and Ination Engineering，North China Institute of Science and Technology，Sanhe 101601，China; 2. Department of Electronic Engineering; Liaoning Railway Vocational Technical College，Jinzhou 121000，China Abstract In order to solve the problems of overloading，slipping and deviation during belt conveyor working process，and a fault mo- nitoring point was designed，its control center is a STM32 single chip. The parameters of working process like temperature，speed， pressure，voltage ，electronic flow and belt displacement could be collected by the monitoring point，the data was transmitted to ground control computer by CAN bus，fault monitoring and protect of belt conveyor was realized，the experimental results showed that the monitoring point safety and reliable，good versatility，fast communication and many faults could be monitored on line. Key words belt conveyor; fault monitoring; belt slipping; single chip; CAN bus ［ 收稿日期］ 2016－09－22［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 02. 011 ［ 基金项目］ 廊坊市科技支撑计划项目 2015011011 ; 中央高校基本科研业务费资助项目 3142014126 ［ 作者简介］ 王辉俊 1980－ ，男，江苏丹阳人，副教授，硕士，主要从事控制理论与控制工程方面研究。 ［ 引用格式］ 王辉俊，赵立永，彭亮 . 矿用胶带运输机故障监测节点的设计 ［ J］． 煤矿开采，2017，22 2 40－43. 在连续生产中，胶带运输机经常会出现过载、 打滑、跑偏等现象，影响生产效率 ［1－2 ］。为此，本 文提出了一种矿用胶带运输机故障监测节点，可对 胶带运输机运行状况和参数进行自动检测，并可作 为煤矿安全监控系统的一个节点，实现系统级联。 1故障监测方案 胶带运输机长时间大负荷工作，可能会出现各 种各样的故障。其中常见故障有以下几种 电动机 故障、滚筒温度过高和胶带打滑、跑偏、超速、断 裂等。为实现胶带运输机故障监测，采用如图 1 所 示监测方案。 图 1系统监测方案 电动机作为胶带运输机的动力驱动装置，常见 电气故障包括过载、堵转、三相短路、漏电等 ［3 ］。 当胶带过载时会使运输机电机处于过载运行状态， 如长时间过载会烧坏电机绕组，从而引起故障。可 通过测量电机定子电流判断是否过载，若长时间处 于过载状态，则发出声光报警，并切断电机电源。 电动机堵转和三相短路时过流程度不同，所以可以 根据过流倍数来判断。当电动机漏电时三相电流瞬 时值之和不为零，可用中性线电流来判断。 当胶带打滑时会出现胶带速度和从动滚筒速度 不一致的现象 ［4 ］; 当胶带超速或断裂时胶带速度 会超出额定速度或为零。因此，这 3 种故障可通过 检测胶带和从滚筒速度判断。 当胶带跑偏时胶带中心线会脱离胶带机中心线 位置，跑偏现象严重时可能引起胶带磨擦起火或者 胶带脱离托辊掉下来，造成重大事故 ［5 ］。胶带跑 偏可通过设置在运输机两侧的限位开关来检测。 胶带运输机在运行过程中因滚筒与胶带间的磨 擦会使滚筒的温度升高 ［6 ］，温度过高时会引起火 灾事故，对正常的生产造成很大的危害。此类故障 04 第 22 卷 第 2 期 总第 135 期 2017 年 4 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 2 Series No. 135 April2017 ChaoXing 可通过检测滚筒温度判断。 2故障监测节点的硬件电路设计 根据胶带运输机故障监测方案要求，控制主芯 片选择 32 位高性能 STM32F103 单片机，完成电动 机故障监测、胶带跑偏监测、胶带和从动滚筒测 速、滚筒温度测量等功能，并实现状态、故障显 示，故障报警及 CAN 总线通信。故障监控节点主 要由单片机系统、电动机故障监测电路、跑偏限位 开关电路、测速电路、温度测量电路、键盘扫描电 路、声光报警电路、LCD 显示电路等部分组成， 系统的原理框图如图 2 所示。 图 2系统原理框图 2. 1STM32F103 电路 单片机是故障监测节点的控制核心，设计使用 32 位的高性能 ARM 芯片 STM32F103 作为控制器， 功能强大，内部资源丰富，片内集成了 2 个 12 位 的 ADC、3 个 16 位定时器和 I2C，USART，SPI， CAN，USB 2. 0 等多个通信接口 ［7 ］。STM32F103 电 路主要由时钟电路、复位电路、3. 3V 直流电源和 去耦电容等组成。 2. 2电源电路 为了使故障监测节点能在矿井井下安全工作， 必须使用本安型电源。采用 BY－ACG5L 型本安输 出模块电源为监测节点供电，其输入电压范围为 85 ～ 265VAC， 输 出 电 压 为 5VDC。 由 于 STM32F103 单片机的电源电压为 3. 3V，所以需要 实现 5V 转 3. 3V，电路如图 3 所示。 图 3电源电路 2. 3电动机故障监测电路 电动机故障监测电路用来监测过载、堵转、三 相短路、漏电等故障状态。其中过载、堵转、三相 短路等故障可以用三相电流来判断，漏电故障可通 过零序电流检测，另外可通过三电压来判断过压、 欠压等故障。 2. 3. 1电压采样电路 由于动力电源相电压不满足输入电压信号的要 求，需要降压处理。采用 ZMPT107 电流互感器， 2mA/2mA，变比为 1 ∶ 1，如图 4 所示。通过串接 3 个电阻把 660V 电压转换成最大 2mA 电流，再通 过电流互感器传递给二次侧，二次侧通过并联 1 个 200Ω 电阻转换成 0～0. 4V 电压输出。 图 4电压采样电路 2. 3. 2电流采样电路 三相电流较大，并且需要转换成电压信号，采 用 ZMCT103C 型电流互感器，10A/10mA，变比为 1000 ∶ 1，通过并联 33Ω 电阻转换成 0 ～ 0. 33V 电 压输出，如图 5 所示。 图 5电流采样电路 2. 4跑偏限位开关电路 跑偏限位开关选择两级跑偏开关 HFKPT1，开 关触点通过光耦隔离后接入单片机，电路如图 6 所 示。当出现一级跑偏时，报警灯闪烁并发出报警铃 声; 当出现二级跑偏时，发出报警铃声并停止胶带 输送机运行。 2. 5速度传感器电路 速度传感器选用 2 个 A3144 型霍尔传感器， 将 2 个磁缸分别装在胶带运输机从动滚筒和胶带托 辊上，利用 2 个霍尔传感器将从动滚筒和托辊的转 速分别传送给单片机系统，电路如图 7 所示。 14 王辉俊等 矿用胶带运输机故障监测节点的设计2017 年第 2 期 ChaoXing 图 6限位开关电路 图 7速度传感器电路 2. 6温度传感器电路 为 检 测 滚 筒 位 置 的 温 度， 使 用 2个 DS18B20［8 ］，电路如图 8 所示。DS18B20 为单总线 芯片，只需一个端口引脚进行通讯，可通过该引脚 直接读取温度的数值。 图 8温度传感器电路 2. 7LCD 显示电路 显示电路选用 LCD12864，采用串行方式驱动， 电路如图 9 所示。胶带运输机工作正常时显示电 压、电流、滚筒速度、滚筒温度等参数和通信状 态。胶带运输机发生故障时显示其故障状态，如电 动机故障、胶带运输机过载、打滑、跑偏等状态。 2. 8CAN 通信电路 由于主控芯片 STM32F103 片内集成了 CAN 控 制器 ［9 ］，因此可以很方便地将基于 STM32 芯片的 故障监测装置设计成 CAN 总线上的一个节点，并 且只占用 STM32F103 的 2 根 I/O 口线。 CAN 节点主要是在 STM32F103 的基础上增加 一个 CAN 收发器 PCA82C250。由于 STM32F103 采 用的是低功耗设计，3. 3V 供电，而 CAN 收发器 PCA82C250 是 5V 供电，如直接相连，STM32F103 的接收端无法承受，采用 2 个 6N137 不仅起到隔 图 9 LCD 显示电路 离 STM32F103 和 CAN 总线，保护 STM32F103 芯片 的作用，同时又可以进行电平转换。 3故障监控节点的软件设计 故障监测节点软件设计主要根据系统的工作要 求，分为系统初始化程序、参数采集程序、数据处 理及故障判断程序、显示程序、CAN 总线通信程 序等，程序流程图如图 10 所示。 图 10系统流程 系统上电后首先对片内资源如时钟、AD 模 块、CAN 接口等寄存器进行设置，然后采集相关 参数，经过数据处理后进行故障判断。当发生电机 故障时，根据故障特征判断电机故障类型，若发生 漏电、堵转和三相短路故障则使胶带运输机紧急停 车并声光报警; 当发生过载时，根据过载系数判断 过载严重程度，轻载时只报警不停车，重载时报警 并停车。若电机运行正常，接着判断滚筒温度是否 过高。温度过高则停车报警。再根据从动滚筒和胶 24 总第 135 期煤矿开采2017 年第 2 期 ChaoXing 带托辊的速度判断是否胶带打滑，若打滑则停车报 警。最后判断胶带是否跑偏，根据跑偏程度分为一 级跑偏和二级跑偏，一级跑偏只报警不停车，二级 跑偏报警并停车。故障判断结束后进行参数和状态 显示，并把采集到的数据和故障状态信息通过 CAN 总线上传到上位机，实现远程监控。 4实验结果 以 B650 型矿用胶带运输机为例进行测试，长 度 400m，带速 2m/s，最大输送量 38t/h。实验数 据见表 1。 表 1故障监测节点实验数据 故障状态动作时间动作类型 漏电立即停车、报警 堵转立即停车、报警 三相短路立即停车、报警 过载 轻载延时 15s报警 重载延时 5s停车、报警 滚筒超温 ＞80℃立即 停车、报警 胶带打滑延时 5s停车、报警 胶带跑偏 一级跑偏延时 10s报警 二级跑偏立即停车、报警 实验结果表明，故障监测节点能够根据不同故 障类型实现相应保护动作，可满足实际生产要求。 监测节点参数测量、故障判断、显示、报警、保护 和通信等功能正常。 5结束语 设计的矿用胶带运输机故障监测节点以 32 位 单片机 STM32F103 为核心，使用片内集成的 12 位 高精度 AD 转换器，实现胶带运输机运行状态和参 数的采集，并进行数据处理和故障判断，大大提高 了采样精度和数据处理速度。利用 STM32F103 片 内集成的 CAN 控制器能够很好地完成数据通信任 务，提高系统信息传输的安全性、准确性和实时 性，并且很容易实现系统级联，为实现胶带运输系 统集中监控提供了一种有利的手段。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 赵凤宇 . 煤矿井下皮带运输状态监测系统研究 ［J］． 山东工 业技术，2014 3 114，126. ［ 2］ 罗浩 . 井下皮带运输机的常见故障及其防治措施 ［J］． 科 技创新导报，2012 20 91. ［ 3］ 王辉俊，尤文强，刘永涛 . 基于无线传输的电机状态监测系 统设计 ［ J］ ． 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ，2012， 31 4 560－563. ［ 4］ 闫明犇 . 关于皮带输送机常见故障的处理 ［J］． 中国机械， 2014 12 106. ［ 5］ 朱亮，李东波，李 妍 . 基于 FPGAMCU 的皮带跑偏检测 系统研究与设计 ［J］ ． 机床与液压，2014，42 7 86－89， 95. ［ 6］ 李文艺，张云龙 . 基于单片机的皮带机综合保护系统设计 ［ J］ ． 宿州学院学报，2014，29 6 89－90，103. ［ 7］ 孙书鹰，陈志佳，寇超 . 新一代嵌入式微处理器 STM32F103 开发与应用 ［J］． 微计算机应用，2010，31 12 59－63. ［ 8］ 潘玉恒，鲁维佳，尹万疆 . 基于 LabVIEW 和单片机的温度监 测仪的设计 ［J］． 仪表技术与传感器，2014 7 43－45. ［ 9］ 周绪贵，查凤． 基于 STM32F103 的 CAN/RS232 转换板卡的 设计与应用 ［J］． 工业控制计算机，2014，27 5 49－50. ［责任编辑 周景林］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 33 页 埋深均小于 300m 的特点，结论如下 1矿井产能较大，煤层厚度大于 4m 时，应 推广应用缩小煤柱或小煤柱等沿空掘巷技术，沿空 留巷对其回采速度有影响。 2矿井产能较小，煤层厚度较小时，应推 广应用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，下一步 将选用条件适宜的七一、惠阳、四明山等矿井进行 推广应用。 3矿井产能较小，煤层厚度较大时，应推 广应用柔模混凝土沿空留巷技术，该技术为实现矿 井的一井一面一班达产，为安全、高效矿井建设奠 定了基础。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 陈勇，柏建彪，王襄禹，等 . 沿空留巷巷内支护技术研究 与应用 ［J］ ． 煤炭学报，2012，37 6 903－910. ［ 2］ 姚亚虎 . 1100m 埋深沿空留巷坚硬顶板主动卸压控制研究 ［ D］ ． 徐州 中国矿业大学，2014. ［ 3］ 武占星 . 超前预裂坚硬顶板巷旁无充填留巷技术研究与应用 ［ D］ ． 保定 河北工程大学，2012. ［ 4］ 张农，韩昌良，阚甲广，等 . 沿空留巷围岩控制理论与实 践 ［ J］． 煤炭学报，2014，39 8 1635－1641. ［ 5］ 康红普，牛多龙，张镇，等 . 深部沿空留巷围岩变形特征 与支护技术 ［J］ ． 岩石力学与工程学报，2010，29 10 1977 －1987. ［ 6］ 陈勇，柏建彪，朱涛垒，等 . 沿空留巷巷旁支护体作用机 制及工程应用 ［J］． 岩土力学，2012，33 5 1427－1432. ［ 7］ 孙晓明，刘鑫，梁广峰，等 . 薄煤层切顶卸压沿空留巷关 键参数研究 ［J］． 岩石力学与工程学报，2014，33 7 1449 －1456. ［ 8］ 郑西贵，张农，袁亮，等 . 无煤柱分阶段沿空留巷煤与 瓦斯共采方法与应用 ［J］ ． 中国矿业大学学报，2012，41 3 390－396. ［责任编辑 邹正立］ 34 王辉俊等 矿用胶带运输机故障监测节点的设计2017 年第 2 期 ChaoXing